Gibt es im Weltraum gutes und schlechtes Wetter? Wissenschaftler enthüllen die Geheimnisse des „Weltraumwetters“ – World Space Week

Die World Space Week findet jedes Jahr vom 4. bis 10. Oktober statt. Das Thema der World Space Week 2024 lautet „Weltraumwissenschaft und Klimawandel“.

Wir stehen derzeit vor beispiellosen klimatischen Herausforderungen und die Weltraumforschung wird zunehmend zum Schlüssel zum Verständnis und zur Lösung dieser Herausforderungen. Von der Sonnenaktivität bis hin zu den Wechselwirkungen mit der Erdatmosphäre werden die Zusammenhänge zwischen Weltraum und Klimawandel immer deutlicher. Anlässlich der Weltraumwoche 2024 lud Science Popularization China den Forscher Le Guiming vom National Space Weather Monitoring and Early Warning Center ein, um allen die Auswirkungen der Weltraumforschung, insbesondere des Weltraumwetters, auf die Menschheit und die Erde darzulegen.

F: Was ist Weltraumwetter und ist es dasselbe wie unser Alltagswetter?

A: Allgemein gesagt ist das Weltraumwetter der physikalische Zustand des gesamten Sonnensystems. Da Menschen auf der Erde leben und sich die meisten Satelliten im Weltraum um die Erde befinden, sind die Menschen vor allem über den physikalischen Zustand des Weltraums um die Erde besorgt. im engeren Sinne ist das Weltraumwetter der physikalische Zustand des Weltraums um die Erde .

Das Weltraumwetter umfasst hauptsächlich die Verteilung und Änderungen des Weltraummagnetfelds und der Intensität geladener Teilchen im Weltraum. Dies wird eine Reihe negativer Auswirkungen auf technische Systeme im Weltraum und auf der Erde haben, etwa auf die Sicherheit des Stromnetzes, die Kurzwellenkommunikation, die Lebensdauer unterirdischer Rohrleitungen wie Ölpipelines, die Navigation und Positionierung (und damit auch auf Flugrouten über hohen Breitengraden), die elektronische Ausrüstung von Satelliten, die Gesundheit von Fluggästen und Astronauten sowie die Umlaufbahnhöhe von Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen.

Das Weltraumwetter unterscheidet sich vom Alltagswetter. Das Weltraumwetter wird hauptsächlich durch die Bewegung von Plasma verursacht, während das Weltraumwetter durch die Bewegung der neutralen Atmosphäre verursacht wird. Aber es gibt gutes und schlechtes Wetter.

F: Welche Faktoren beeinflussen das Weltraumwetter?

Antwort : Der Hauptfaktor, der das Weltraumwetter beeinflusst, ist die Sonnenaktivität. Weitere Faktoren sind beispielsweise die Jahreszeiten.

F: Was sind häufige Weltraumwetterereignisse ?

Antwort : Magnetosphärisches hochenergetische Protonenverstärkungsereignis, magnetosphärisches hochenergetische Elektronenverstärkungsereignis, geomagnetischer Sturm, plötzliche ionosphärische Störung, ionosphärischer Sturm, thermosphärisches Sturm.

F: Der Zyklus des Wetters beträgt 3,65 Tage. Wie lang ist also der Zyklus des Weltraumwetters?

Antwort : Das Weltraumwetter wird durch die Sonnenaktivität gesteuert. Der Zyklus der Sonnenaktivität ist daher der Zyklus des Weltraumwetters und sein Zyklus dauert zwischen 9 und 14 Jahren, das heißt, einige Zyklen der Sonnenaktivität sind kürzer und andere länger. Durch statistische Analysen wurde festgestellt, dass die Länge des Sonnenaktivitätszyklus meist bei etwa 10,6 Jahren liegt, also fast 11 Jahren. Auf einer längeren Zeitskala gibt es Zyklen von fast 22 Jahren, etwa 100 Jahren und sogar noch längere Zyklen.

F: Sie haben vorhin erwähnt, dass das Weltraumwetter, wie das alltägliche Wetter, gut oder schlecht sein kann. Welche Art von Weltraumwetter ist also extremes Weltraumwetter? Was sind die wichtigsten Arten extremer Weltraumwetterereignisse? Wie groß ist der Einfluss extremen Weltraumwetters auf menschliche Aktivitäten?

Antwort : Unter extremen Weltraumwetterereignissen versteht man Ereignisse, die sehr große Auswirkungen auf technische Systeme im Weltraum und auf der Erde haben und sehr selten auftreten. Wenn die Häufigkeit des Auftretens eines Ereignisses kleiner oder nahe 1 ‰ ist. Wenn beispielsweise bei Sonneneruptionen über der Stufe C das Verhältnis der Eruptionen über der Stufe X5 nahe bei 1 ‰ liegt, kann man von einem Extremereignis sprechen. Bei magnetischen Sturmereignissen bezeichnet die internationale Gemeinschaft magnetische Stürme mit einer Dst von weniger als oder gleich -250 nT einheitlich als supermagnetische Stürme. Solare Protonenereignisse mit einem Spitzenfluss > 10^4 (Anzahl der Teilchen/Quadratzentimeter × Sekunde × Raumwinkel) werden als supersolare Protonenereignisse bezeichnet. Auch solare Protonenereignisse mit relativistischer Energie sind extreme Weltraumwetterereignisse. Das tägliche Integral von Elektronen mit einer Energie über 2 MeV in einer geostationären Umlaufbahn überschreitet 2x10^9 (cm^2·sr·d)^-1 mit einer Rate von weniger als 7 ‰, was ebenfalls ein extremes Ereignis ist...

Extreme Weltraumwetterereignisse sind sehr schädlich. Ein Extremereignis kann einen oder mehrere Satelliten zerstören und so zu deren dauerhaftem Ausfall führen oder die Funktion von Satelliten erheblich beeinträchtigen (wie etwa die Sonneneruption am 14. Juli 2000, die zum dauerhaften Ausfall eines Satelliten und einer erheblichen Funktionsbeeinträchtigung mehrerer Satelliten führte). Es kann auch zur Zerstörung eines oder mehrerer Stromnetze kommen (wie etwa bei der Sonneneruption am 10. März 1989, die das Stromnetz im kanadischen Quebec zerstörte und einen großen Stromausfall in Quebec, Kanada, verursachte, oder bei der Sonneneruption am 28. Oktober 2003, die einen großen Stromausfall im schwedischen Malmö verursachte und potenzielle Gefahren für mehrere Stromnetze in meinem Land darstellte). Dies kann zu einer mehrstündigen Unterbrechung der Kurzwellenkommunikation führen (der Sonneneruption vom 28. Oktober 2003 führte in Manzhouli zu einer fünfstündigen Unterbrechung der Kurzwellenkommunikation) ... Bei einem sehr schweren Extremereignis werden wahrscheinlich mehrere Satelliten und Stromnetze zerstört ...

F: Sie haben vorhin erwähnt, dass das Weltraumwetter hauptsächlich durch die Sonnenaktivität bestimmt wird. Wann also tritt im Sonnenaktivitätszyklus normalerweise extremes Weltraumwetter auf?

Antwort : Mehr als 65 % davon ereignen sich in der abnehmenden Phase des Sonnenaktivitätszyklus und mehr als 80 % in den zwei Jahren vor und drei Jahren nach dem Höhepunkt der Sonnenfleckenaktivität. Darüber hinaus kommt es durch die Wechselwirkung mit der Magnetosphäre verursachtes extremes Weltraumwetter vor allem in der Nähe der Tagundnachtgleichen im Frühling und Herbst vor.

X5-Klasse-Flares von 1976 bis 2018

Supermagnetische Stürme im Zeitraum 1932–2018. Die roten durchgezogenen Punkte zeigen an, dass die supermagnetischen Stürme durch koronale Massenauswürfe auf der Nordhalbkugel der Sonne verursacht wurden, und die blauen durchgezogenen Punkte zeigen an, dass die supermagnetischen Stürme durch koronale Massenauswürfe auf der Südhalbkugel der Sonne verursacht wurden.

Anzahl extrem großer magnetischer Stürme pro Monat von 1932 bis 2018

Das tägliche Integral von Elektronen mit einer Energie von mehr als 2 MeV überschritt 109 d^−1 cm^−2 sr^−1 in verschiedenen Monaten zwischen 1987 und 2019

F: Hat man etwas über die Beziehung zwischen der Sonnenaktivität, die durch die langfristige Anzahl der Sonnenflecken beschrieben wird, und extremen Weltraumwetterereignissen herausgefunden?

Antwort : Statistische Studien haben ergeben, dass die Anzahl extremer Ereignisse insgesamt umso größer ist, je stärker der durch die Sonnenfleckenzahl beschriebene Sonnenaktivitätszyklus ist. Allerdings ist der Korrelationskoeffizient zwischen der maximalen Intensität eines extremen Sonnenaktivitätsereignisses und der Intensität des durch die Sonnenfleckenzahl beschriebenen Sonnenaktivitätszyklus sehr niedrig. Das heißt, ein schwacher Sonnenaktivitätszyklus kann schwerwiegendere Weltraumwetterereignisse mit sich bringen als ein starker Sonnenaktivitätszyklus.

Zusammenhang zwischen der Amplitude des Sonnenzyklus und der Anzahl extrem großer magnetischer Stürme im Sonnenzyklus

Korrelation zwischen der Amplitude des Sonnenzyklus und dem stärksten magnetischen Sturm innerhalb des Sonnenzyklus

Frage: Welche Maßnahmen sollten angesichts extremer Weltraumwetterereignisse ergriffen werden, um den durch extreme Weltraumwetterereignisse verursachten Schaden zu minimieren?

Antwort : Grundsätzlich können alle Raumfahrzeuge ausreichend gegen Strahlung gehärtet werden (die Kosten würden erheblich steigen), um sicherzustellen, dass das Raumfahrzeug auch in extrem rauen Umgebungen normal funktionieren kann. Aus wirtschaftlichen und effizienten Gründen kann nur in bestimmten Umlaufbahnen eine übermäßige Strahlungshärtung erfolgen.

Generell kann davon ausgegangen werden, dass bei extremen Weltraumwetterbedingungen elektronische Geräte von Raumfahrzeugen, die anfällig für Angriffe durch geladene Teilchen sind, für eine gewisse Zeit abgeschaltet werden.

Bei Raumfahrzeugen in niedriger Umlaufbahn kann die Umlaufbahnhöhe des Satelliten leicht erhöht werden. Außenbordeinsätze von Astronauten sollten abgesagt werden. Bei Stromnetzen müsste die Stromstärke gesenkt werden (oder die Leistung der Netztransformatoren müsste ausreichend erhöht werden – was die Kosten deutlich erhöhen würde). Bei Flügen über hohe Breitengrade müssen die Routen geändert oder Flüge gestrichen (und nach dem Ende des Extremwetterereignisses wieder aufgenommen) werden. Fischer sollten ihre Offshore-Aktivitäten abbrechen und rechtzeitig nach Hause zurückkehren …

F: Wie überwachen und prognostizieren Wissenschaftler derzeit Weltraumwetterereignisse ? Wie weit im Voraus können Vorhersagen getroffen werden? Wie hoch ist die Genauigkeitsrate?

Antwort : Die Weltraumwetterüberwachung wird in bodengestützte und weltraumgestützte Überwachung unterteilt. Das bodengestützte Überwachungsnetzwerk kann die Sonnenaktivität, interplanetare und Erdmagnetfelder, die Ionosphäre sowie die mittlere und obere Atmosphäre usw. überwachen. Weltraumgestützte Systeme können die Weltraumumgebung am Standort des Raumfahrzeugs überwachen (Informationen zu Plasma, hochenergetischen Teilchen, Magnetfeldern usw.), die Sonnenaktivität aus der Ferne messen und Beobachtungen in Sonnennähe durchführen. Durch weltraumgestützte Überwachung ist eine flächendeckende Überwachung der mittleren und oberen Atmosphäre, der Ionosphäre, der Magnetosphäre, des interplanetaren Raums und der Sonne möglich.

Durch Fallanalysen einer großen Zahl unterschiedlicher Ereignisse sowie statistische Untersuchungen und numerische Simulationsuntersuchungen zu einer großen Zahl von Ereignissen wurden zahlreiche statistische und numerische Modelle des Weltraumwetters erstellt. Diese Modelle werden zur Erstellung von Weltraumwettervorhersagen verwendet. Weltraumwettervorhersagen werden unterteilt in Nowcasts etwa eine Stunde im Voraus, Kurzzeitvorhersagen 1-3 Tage im Voraus, Mittelfristvorhersagen 27 Tage im Voraus und Langzeitvorhersagen drei Monate oder sogar noch länger im Voraus. Die Vorhersagegenauigkeit für plötzliche explosive Sonnenereignisse (Flares und koronale Massenauswürfe) ist noch immer relativ gering. Relativ gesehen ist die Vorhersagegenauigkeit für magnetische Stürme viel höher, aber es ist immer noch sehr schwierig, die Intensität magnetischer Stürme genau vorherzusagen. Die Vorhersagegenauigkeit für ionosphärische Stürme und Dichteänderungen in der mittleren und oberen Atmosphäre ist nicht hoch.

F: Was sind die neuen Trends in der Weltraumwetterforschung?

Antwort : Da das Forschungsniveau vom Beobachtungsniveau und der Komplexität der verwendeten Forschungsmethoden abhängt, besteht der neue Trend in der Weltraumwetterforschung zunächst darin, Beobachtungen zu verstärken, wie etwa Mehrwinkel-Bildbeobachtungen der Sonne, verstärkte Mehrpunkt-Beobachtungen des interplanetaren Raums (nicht geradlinig) vor Ort, verstärkte Mehrpunkt-Beobachtungen des Magnetosphärenraums vor Ort und ununterbrochene Beobachtungen der Nord- und Südpolarlichter (die alle einen hohen finanziellen Aufwand erfordern).

In der Vergangenheit konzentrierte sich die Forschung vor allem auf die physikalischen Mechanismen und statistischen Untersuchungen plötzlicher Weltraumwetterereignisse. Mittlerweile werden Methoden wie Deep Learning und maschinelles Lernen eingesetzt und mit physikalischen Mechanismen und statistischen Untersuchungen kombiniert, um verschiedene Arten von Weltraumwetterereignissen zu erforschen.

F: Das Thema der diesjährigen World Space Week sind Weltraumforschung und Klimawandel. Welcher Zusammenhang besteht aus Ihrer Sicht der Langzeitforschung im Weltraum und Wetter zwischen der Sonnenaktivität und dem Wetter und Klima auf der Erde?

Antwort : Langzeitbeobachtungen haben ergeben, dass sich der pflaumenfarbene Regengürtel in Perioden mit vielen Sonnenflecken (Jahre mit hoher Sonnenaktivität) deutlich nach Norden verschiebt, während er sich in Perioden mit weniger Sonnenflecken (Jahre mit geringer Sonnenaktivität) deutlich nach Süden verschiebt.

In Jahren mit hoher Sonnenaktivität gibt es in der Region des Huaihe-Flusses mehr Niederschlag und eine größere Niederschlagsspanne. In Jahren mit geringer Sonnenaktivität gibt es in der Region des Huaihe-Flusses weniger Niederschlag und eine geringere Niederschlagsspanne.

Die Ozonmenge in der Erdatmosphäre korreliert im Allgemeinen umgekehrt proportional zur Intensität der Sonnenaktivität, was in Jahren mit geringer Sonnenaktivität zu niedrigeren Temperaturen und in Jahren mit hoher Sonnenaktivität zu höheren Temperaturen führt.

In Jahren hoher Sonnenaktivität nimmt die Intensität der kosmischen Strahlung ab, was zu weniger Wolken und weniger Niederschlag führen und somit höhere Temperaturen begünstigen kann. Im Gegenteil: In Jahren mit geringer Sonnenaktivität sinken die Temperaturen.

Der Hauptfaktor, der das Klima durch die Sonnenaktivität beeinflusst, ist die gesamte Sonnenstrahlungsintensität. Auf lange Sicht ist die gesamte Sonnenstrahlungsintensität kein fester Wert, sie wird leicht schwanken.

Die totale Sonnenstrahlungskonstante bezeichnet die Gesamtenergie der Sonnenstrahlung, die pro Flächeneinheit an der oberen Grenze der Erdatmosphäre senkrecht zu den Sonnenstrahlen im durchschnittlichen Abstand zwischen Sonne und Erde pro Zeiteinheit empfangen wird.

Expertenunterstützung : Le Guiming, Forscher am National Space Weather Monitoring and Early Warning Center

Produziert von : Science Popularization China x China Meteorological Society x China Astronautics Society