Auch im Weltraum kommt es zu Wetteränderungen. Müssen Astronauten also die „Wettervorhersage“ prüfen?

In der Erdatmosphäre gibt es Wetterphänomene, die eng mit uns verbunden sind, wie beispielsweise klares und bewölktes Wetter, kaltes und warmes Wetter, Wind, Regen, Schnee, Donner und Blitz. Aber gibt es im Weltall auch Wetter? Die Antwort lautet ja. Wissenschaftler nennen es Weltraumwetter. Ist das Weltraumwetter also dasselbe wie das Wetter auf der Erde? Wie kann man das Weltraumwetter überwachen? Kann das Weltraumwetter vorhergesagt werden?

| Was ist Weltraumwetter?

Das Weltraumwetter unterscheidet sich völlig vom Wetter in der Erdatmosphäre. Weltraumwetter tritt in der Weltraumregion zwischen Sonne und Erde mehr als 30 Kilometer über der Erdoberfläche auf, einschließlich der Sonnenkorona, des interplanetaren Raums, der Magnetosphäre, der Ionosphäre und der mittleren und oberen Atmosphäre über der mittleren Stratosphäre von weit her bis nah.

In dieser Weltraumregion gibt es, abgesehen von einer sehr geringen Menge Wasserdampf in der mittleren und oberen Stratosphäre, in anderen Bereichen fast keinen Wasserdampf, sodass das Auftreten der Wetterphänomene, die wir in der Troposphäre der Erdatmosphäre beobachten, unmöglich ist. In diesem Raum sind Teilchen, Energie und elektromagnetische Strahlung die unbestrittenen „Protagonisten“ und unterliegen aufgrund der durch Sonneneruptionen ausgestoßenen Materie und Energie kurzfristigen Veränderungen. Dies führt zu starken Störungen der Weltraumumgebung der Erde, einschließlich der Magnetosphäre, Ionosphäre sowie der mittleren und oberen Atmosphäre der Erde, und löst Protonenereignisse und ionosphärische Stürme, geomagnetische Stürme und andere Effektereignisse aus. Das ist Weltraumwetter.

Sonneneruptionen sind die Hauptursache für das Weltraumwetter. Bei Sonneneruptionen werden durch Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe kurzlebige, extrem energiereiche Lichtwellen und Teilchen in drei Formen freigesetzt: verstärkte elektromagnetische Strahlung, hochenergetische geladene Teilchenströme und Plasmawolken, die schließlich auf die Erde einwirken. Daher ist der „Wind“ beim Weltraumwetter der Sonnenwind und der „Regen“ sind geladene Teilchen von der Sonne.

Wie das Wetter auf der Erde kann auch das Weltraumwetter unvorhersehbar sein. In Jahren mit geringer Sonnenaktivität ist der Weltraum relativ ruhig, während es in Jahren mit hoher Sonnenaktivität häufiger zu Sonneneruptionen kommt und das Weltraumwetter häufig und komplex ist. Am 23. Februar 2024 beispielsweise veröffentlichte das Nationale Zentrum für Weltraumwetterüberwachung und Frühwarnsystem meines Landes einen rekordverdächtigen Sonnenausbruch: „Am 23. Februar 2024 um 06:34 Uhr Pekinger Zeit brach im aktiven Bereich 13590 bei 17 Grad nördlicher Breite und 26 Grad östlicher Länge auf der Sonnenoberfläche ein Flare der Stufe X6.3 aus. Seine Intensität ist die größte in der laufenden 25. Sonnenaktivitätswoche. Gleichzeitig brach er auch den Flare-Eruptionsrekord seit dem 10. September 2017.“

| Warum sollte man sich um das Weltraumwetter kümmern?

Ein Sonnenausbruch verursacht normalerweise drei Runden von Einschlägen im Raum zwischen Sonne und Erde und sogar im Raum auf der Erdoberfläche: Die erste Runde: Der Aufflackern des Sonnenausbruchs, d. h. die verstärkte elektromagnetische Strahlung, bringt enorme Strahlungsenergie mit sich und breitet sich in Form elektromagnetischer Wellen aus. Da es sich um Lichtgeschwindigkeit handelt, benötigt die 151 Millionen Kilometer von der Erde entfernte Sonne nur etwa achteinhalb Minuten, um die Erde zu erreichen. Die Stabilität der Ionosphäre ist gebrochen und die Struktur verändert sich; Die zweite Runde ist die plötzliche Zunahme des Stroms von Sonnenmaterie, also hochenergetischer geladener Teilchen, die einige zehn Minuten bis über zehn Stunden braucht, um die Erde zu erreichen, wodurch die Anzahl hochenergetischer geladener Teilchen um die Erde um das Tausendfache oder sogar das Zehntausendfache zunimmt. Da Protonen mehr als 90 % der Gesamtzahl der Teilchen ausmachen, wird dieses Ereignis als solares Protonenereignis bezeichnet. Die dritte Runde des koronalen Massenauswurfs, also der Sonnenwind, wird ebenfalls viel Energie mit sich führen und auf die Erde treffen. Etwa drei Tage später wird er dort eintreffen und geomagnetische Stürme und magnetosphärische Substürme verursachen.

Diese drei Runden von Einschlägen durch Sonneneruptionen führen zu kurzfristigen Veränderungen des interplanetaren Raums, der Magnetosphäre der Erde, der Ionosphäre sowie der mittleren und oberen Atmosphäre und erzeugen Weltraumwetter, das die menschlichen Aktivitäten auf der Erde und den sicheren Betrieb von Raumfahrzeugen im Orbit beeinträchtigt, wie beispielsweise:

Sonneneruptionen verursachen Störungen in der Ionosphäre, die dazu führen können, dass Funksignale die Ionosphäre durchdringen und ins Universum gelangen oder wichtige Informationen „verschlucken“, die von Satelliten zur Erde zurückgesendet werden. In Kombination mit den Auswirkungen geomagnetischer Stürme, die durch koronale Massenauswürfe verursacht werden, treten bei Flugzeugen, Schiffen, Autos und sogar Smartphones Fehler bei der Satellitenortung auf und in schweren Fällen kann es sogar passieren, dass sie nicht mehr navigieren können.

Wenn das Funkkommunikationssystem auf Weltraumwetterereignisse stößt, beeinträchtigt die ionosphärische Störung auch die Anrufqualität. In leichten Fällen kann es aufgrund des starken Lärms für die beiden Parteien unmöglich sein, einander deutlich zu verstehen. In schweren Fällen kann es sogar zu Signalverlusten und Kommunikationsunterbrechungen kommen.

In den meisten Fällen können wir die Auswirkungen des Weltraumwetters nicht spüren, aber geomagnetische Stürme und magnetosphärische Substürme, die durch Supereruptionen der Sonne verursacht werden, können die Umlaufhöhe von Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen, den sicheren Betrieb von Stromnetzen, geologische Erkundungen usw. beeinträchtigen und schwerwiegende Auswirkungen auf das tägliche Leben haben. Nehmen Sie als Beispiel den Super-Sonnenausbruch im März 1989. Weniger als 90 Sekunden nach dem geomagnetischen Sturm war das Stromnetz in der kanadischen Provinz Quebec vollständig lahmgelegt, 6 Millionen Haushalte waren von Dunkelheit umgeben und der Stromausfall dauerte 9 Stunden.

Kommt es in der zweiten Aufprallrunde einer Sonneneruption zu einem Protonenereignis, wird der hochenergetische geladene Teilchenstrom beschleunigt und bombardiert die Magnetosphäre, nachdem er den Erdraum mit einer Geschwindigkeit von Tausenden, Zehntausenden oder sogar Hunderttausenden Kilometern pro Sekunde erreicht hat. Es kann die zahlreichen Abwehrmechanismen des Erdmagnetfelds durchbrechen, in die Umlaufbahn von Satelliten gelangen und sogar in die Ionosphäre, die Atmosphäre und den Weltraum eindringen. Eine große Anzahl hochenergetischer Partikel gelangt in die Erdatmosphäre, und die Strahlendosis im Flugzeug steigt für Passagiere und Flugbegleiter stark an, was ein Gesundheitsrisiko darstellt.

Astronauten, die sich längere Zeit in Raumstationen aufhalten, müssen stärker auf die Strahlungsumgebung achten. In Jahren mit hoher Sonnenaktivität können unregelmäßige Sonnenprotonenereignisse in großen Höhen in der erdnahen Umlaufbahn auch zu einer Verschlechterung der Strahlungsumgebung der Raumstation führen. Die „Außenwände“ der Raumstation können diese hochenergetischen Teilchen blockieren, doch bei Super-Solar-Protonenereignissen wie den Protonenereignissen im Juli 1989 und November 2003 überschritt die Strahlungsintensität in der Internationalen Raumstation den Grenzwert erheblich, und die Astronauten waren gezwungen, die Rückkehrkapsel zu betreten, um der Strahlung auszuweichen. Darüber hinaus müssen Astronauten Sonnenprotonenereignisse vermeiden, wenn sie für einen „Weltraumspaziergang“ die Kabine verlassen.

Durch die schnelle Verbreitung erdnaher Satelliten ist es in der Umlaufbahn der Raumstation eng geworden. Insbesondere mit dem Start der Starlink-Satelliten werden Zehntausende von Satelliten die Umlaufbahn der Raumstation kreuzen und dabei große Mengen an Trümmern hinterlassen, die die größte Bedrohung für die Raumstation darstellen und die Umgebung der Raumstation, in der die Astronauten stationiert sind, noch gefährlicher machen. Daher werden die Auswirkungen von Weltraummüll auf Weltraumaktivitäten auch als Teil des Weltraumwetters aufgeführt.

Autor | Xun Jiwei ist ein leitender Ingenieur, der am Nanjing Institute of Meteorology mit Schwerpunkt Wetterdynamik (jetzt Nanjing University of Information Science and Technology mit Schwerpunkt Atmosphärenwissenschaften) seinen Abschluss gemacht hat. Der Autor ist seit langem in der betriebswirtschaftlichen und verwaltungstechnischen Arbeit im Bereich Wettervorhersage und Wetterdienste tätig.