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Der kosmischen Strahlung auf der Spur
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Geomagnetischer Sturm zeigt Bedarf an Weltraum-Wetterprognosen |
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Einer der grössten geomagnetischen Stürme seit mehreren Jahrzehnten hat eine spektakuläre Lichtschau am Himmel auf der ganzen Welt verursacht und die Bedeutung von Prognosen potenziell störenden Weltraumwetterereignissen hervorgehoben.
Vom 10. bis 13. Mai 2024 war die Auroras (typischerweise in den Polargebieten zu sehen) in ungewöhnlich niedrigen Breiten zu sehen. Auf der Nordhalbkugel wurden spektakuläre Sichtungen der Aurora Borealis z.B. aus Florida, Italien und Spanien und auf der Südhalbkugel die Aurora australis bis nach Queensland in Australien gemeldet.
Dies war das Ergebnis eines extremen (höchsten Kategorie) Erdmagnetensturms aus einer Reihe von koronalen Massenauswürfen (CME = coronal mass ejections) - Wolken aus Plasmamaterial, die von der Sonne mit hoher Geschwindigkeit in den interplanetaren Raum ausgestossen werden. Diese Plasmawolken tragen Magnetfeld, das mit dem Erdmagnetfeld interagiert, wenn es unseren Planeten auf seinem Weg durch den interplanetaren Raum findet.
Während Aurorae (Aurora) ein entzückendes Spektakel ist, haben geomagnetische Stürme auch potenziell störende Auswirkungen wie den Stress, den sie dem Stromnetz aufgrund von induzierten Strömungen in Stromleitungen und möglichen Auswirkungen auf den Kommunikations- und Satellitenbetrieb aufsetzen können.
Der jüngste geomagnetische Sturm folgte auf frühere erhöhte Sonnenaktivität. Sog die sogenannten aktiven Regionen, Konzentrationen von magnetischem Fluss auf der Sonnenoberfläche, haben in der vergangenen Woche mehrere Flares der oberen Kategorie X, Ausbrüche elektromagnetischer Wellenemission, freigesetzt. Diese Fackeln wirken sich auf die Erde und verursachen (hohe Frequenz) Radio-Blackouts auf der sonnenbeschienenen Seite der Erde, und sie können auch zu Störungen oder Unterbrechungen der Satellitennavigationsdienste führen.
"Solche Sonnenereignisse treten regelmässig vor, wobei ihre Eintrittsrate nach einem elfjährigen Zyklus in Verbindung mit der Umkehrung des gesamten magnetischen Solarfelds jedes elf von elf Jahren verbunden ist", sagt Jesse Andries, wissenschaftlicher Offizier des Weltraumprogramms von WMO.
"Wir nähern uns derzeit dem Maximum des aktuellen Zyklus mit Sonnenereignissen, die am häufigsten auftreten. Während Sonnenereignisse regelmässig auftreten, ist dieser jüngste geomagnetische Sturm sicherlich einer der grössten seit mehreren Jahrzehnten", sagt er.
Glücklicherweise werden die Raumwetterüberwachung und -vorhersage immer mehr zu einer Operation, genau wie das terrestrische Wetter. Das letzte Ereignis wurde genau prognostiziert.
Weltraum-Wetter-Prognosen auf der ganzen Welt überwachen die Sonne genau. Sie berichten jeden Tag über die Entwicklung aktiver Regionen auf der Sonnenoberfläche und sie schätzen die Wahrscheinlichkeit, dass grosse Fackeln auftreten.
Darüber hinaus erfassen sie die Eigenschaften des Auftretens von koronalen Massenauswürfen, die sie an Modelle füttern, die es ihnen dann ermöglichen, die erwartete Ankunftszeit auf der Erde abzuschätzen. Basierend auf diesen Analysen werden kritische Sektoren und die Öffentlichkeit im Vorfeld der kommenden Ereignisse informiert, damit sie Schutzmassnahmen ergreifen können, wie etwa die Abweichung von den Polen.
Die WMO bemüht sich seit mehr als einem Jahrzehnt, Weltraum-Werbe in ihre Aktivitäten zu integrieren, und hat sie als damit verbundene Umweltdienst in ihrem strategischen Plan angenommen.
Die Sitzung des WMO-Exekutivrats im Juni soll einen neuen Vierjahresplan für WMO-Aktivitäten im Zusammenhang mit dem Weltraum Wetter (2024-2027) verabschieden. Dies wurde kürzlich von der WMO-Kommission für Beobachtungs-, Infrastruktur- und Informationssysteme (INFCOM) genehmigt.
Der Plan befasst sich mit den drei Hauptsäulen der WMO-Infrastruktur: Beobachtung der Infrastruktur, Modellierung und Vorhersage sowie Datenaustausch. Darüber hinaus wird versucht, die Fähigkeiten der WMO-Mitglieder zu fördern, um wertvolle Dienstleistungen für verschiedene Wirtschaftssektoren bereitzustellen, die anfällig für Bedrohungen durch Sonneneruptionen und daraus folgende Weltraum-Werbephänomene sind.
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| Quelle: Text
WMO, 13. Mai 2025 |
| Text: RAOnline mit Hilfe des Firefox-Übersetzungstools |
| VIDEO Sonnenflecken-Aktivitäten |
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| Film: NASA SDO 2013 |
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| Strahlungsgürtel: Wie verschwinden rasend schnelle Elektronen? |
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Die Entdeckungen des Weltraumzeitalters haben mit den Strahlungsgürteln hoch über der Erde begonnen, die nach James van Allen, dem Leiter der "Explorer"-Satellitenmissionen, benannt sind. Mehr als ein halbes Jahrhundert später ist die Dynamik in diesen beiden ringförmigen Regionen mit hochenergetischen Teilchen immer noch kaum verstanden.
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| Elektronen werden dort auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und verschwinden innerhalb weniger Tage oder auch nur Stunden. Das Problem, die Verhältnisse in den Van-Allen-Gürteln vorherzusagen, liegt in einer Art Wettstreit zweier Mechanismen: dem der Beschleunigung und dem des Elektronenverlusts. |
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Das Ergebnis ist bis heute nicht quantifizierbar.
Dabei ist die Region im erdnahen Weltraum von grosser Bedeutung, denn dort umkreisen Satelliten mit hoch empfindlicher Elektronik unseren Planeten.
Die Beschleunigungsmechanismen haben in den vergangenen Jahren viel Aufmerksamkeit durch die Forschung erhalten. Dagegen ist der Elektronenverlust nach wie vor rätselhaft. Eine Studie, die jüngst im Fachmagazin "Scientific Reports" erschienen ist, klärt nun einige zentrale Fragen. So zum Beispiel, warum und wie Elektronen innerhalb nur weniger Stunden verschwinden. Die Studie hat zwei Erstautoren, Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und Xing Cao, ein Doktorand der Universität von Wuhan in China. Xing Cao forschte während eines Gastaufenthalts am GFZ in der Sektion Magnetosphärendynamik zu diesen Fragen.
Eine wichtige Rolle spielen dabei die so genannten EMIC-Wellen. Das Kürzel steht für "Electromagnetic Ion Cyclotron" und beschreibt damit, wie Plasmawellen über unserer Erde von geladenen Teilchen (Ionen) erzeugt werden. Partikel werden durch Wellen gestreut und rasen entlang von Magnetfeldlinien in Richtung Atmosphäre. So entstehen in hohen Breiten Polarlichter.
Es gibt eine Reihe von theoretischen Berechnungen, die zeigen, dass die EMIC-Wellen auch relativistische Elektronen in Richtung der Lufthülle ablenken. Dem stehen jedoch tatsächliche Beobachtungen gegenüber, wonach nur noch schnellere Elektronen ("ultra-relativistische" Elektronen) durch die EMIC-Wellen beeinflusst werden, dokumentiert zum Beispiel in den Arbeiten von Yuri Shprits in Nature Physics (2013) und Nature Communications (2017). Relativistische Elektronen "sind immun gegen EMIC-Wellen", sagt Shprits.
Wie lässt sich dieser Widerspruch auflösen? Yuri Shprits und Xing Cao haben die Plasmatemperatur in ihre Berechnungen einfliessen lassen und so Theorie und Beobachtung in Übereinstimmung gebracht. In bisherigen Studien war man immer von einer Temperatur nahe null Kelvin ausgegangen. Mit den "hot plasma effects", die bei höheren Temperaturen auftreten, gehen auch kinetische Effekte einher. Diese führen zum Verlust der ultra-relativistischen Elektronen in Richtung Erdatmosphäre, betreffen aber nicht die relativistischen Elektronen. Yuri Shprits sagt: "Unsere Studie wird viele Kolleginnen und Kollegen in der Astrophysik interessieren, denn sie ermöglicht eine quantitative Abschätzung der maximalen Elektronendichte in der Magnetosphäre." Diese Abschätzung lasse sich auch auf andere Magnetosphären anwenden, etwa jene um die äusseren Planeten unseres Sonnensystems oder um Exoplaneten.
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