Die Sonne ist nicht gerade ruhig, obwohl sie in den schnellen Blicken, die wir mit bloßen Augen stehlen können, ziemlich friedlich erscheint. In Wirklichkeit ist die Sonne jedoch ein dynamischer, chaotischer Körper, der Sonnenwind und -strahlung versprüht und in großen Plasmaschichten ausbricht. Daneben ist das Leben in einer technologischen Gesellschaft eine Herausforderung.
Meistens erwärmt die Sonne nur die Erde. Aber manchmal führen seine Eruptionen zu Sonnenstürmen, die die Erde treffen. Und in unserer elektrifizierten und global kommunikativen Welt können diese Stürme viel Schaden anrichten. Laut der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) könnte allein in Europa ein Schaden von mehreren Milliarden Euro entstehen. Es gibt Dinge, die wir tun können, um unser Stromnetz, unsere Kommunikationssysteme und andere Infrastruktur vor den geomagnetische Stürme durch die Sonne verursacht. Aber wir müssen wissen, wann jemand kommt.
Eine Videosimulation der Wechselwirkung des Erdmagnetfelds mit dem (solaren) interplanetaren Magnetfeld (IMF). Ein Sonnensturm, der stark genug ist, kann die Magnetosphäre der Erde komprimieren und es dem Material und dem Magnetismus der Sonne ermöglichen, Stromleitungen und andere Infrastruktur zu beschädigen. Bildnachweis: Von Dr. Nikolai Tsyganenko, USRA/NASA/GSFC – Gemeinfrei.
Wenn wir Sonnenstürme mit einiger Genauigkeit vorhersagen wollen, müssen wir ihre Quelle beobachten: die Sonne. Während wir die Sonne von der Erde aus sehen können, ist das Magnetfeld der Erde, das uns tatsächlich vor diesen Stürmen schützt, ein Hindernis für die Überwachung der Sonne. Die Atmosphäre blockiert die Röntgenstrahlen, extreme UV- und Gammastrahlen der Sonne, was es auch schwieriger macht, die Sonne im Detail zu beobachten.
Es ist nicht so, dass Bodenbeobachtungen der Sonne uns nichts über das Verhalten der Sonne und drohende Sonnenstürme sagen können, aber sie können es nur nicht alleine tun. Satelliten innerhalb der Magnetosphäre der Erde, aber außerhalb der Atmosphäre können ebenfalls helfen. Aber sie nehmen in-situ-Messungen vor, sie machen keine Vorhersagen.
Die ESA plant eine Mission, die uns mehr Vorwarnung vor gefährlichen Stürmen geben wird. Um effektiver zu sein, muss es sich im Weltraum befinden, weg von der Magnetosphäre der Erde. Die Mission heißt Lagrange, und die ESA erwägt derzeit zwei Raumfahrzeuge. Einer würde am Lagrangian Point 1 sitzen und der andere würde am Lagrangeian Point 5 sitzen.
Die Lagrange-Punkte Erde-Sonne. (Nicht maßstabsgetreu.) Eines der vorgeschlagenen Raumschiffe würde auf L1 sitzen, in einer frontalen Position zur Sonne. Der andere würde bei L5 sitzen und eine wichtige Seitenansicht gewinnen. (Das auf L2 gezeigte Raumfahrzeug ist das WMAP der NASA.) Bildquelle: NASA/WMAP Science Team
Lagrange-Punkte sind bestimmte Orte im Weltraum, an denen sich die Gravitationskräfte der Erde und der Sonne ausgleichen, und ein Raumfahrzeug kann mit minimalem Treibstoffverbrauch lange Zeit in dieser Position bleiben. Es gibt bereits mehrere Raumschiffe auf L1 und L2, weitere werden folgen. (Das James Webb-Weltraumteleskop wird bei L2 eingesetzt.)
Die Sonne bricht manchmal aus und emittiert riesige Materialklumpen mit magnetischen Feldlinien von koronalen Massenauswürfen. Die meisten dieser Kugeln kommen nicht einmal in die Nähe der Erde; aber gelegentlich trifft uns einer. Und das verursacht hier einen geomagnetischen Sturm, da der Ausbruch der Sonne die Magnetosphäre der Erde vorübergehend überwältigt.
Aber diese Stürme kommen nicht aus dem Nichts. Sie beginnen mit beobachtbaren Bedingungen auf der Sonne. Die Sonne hat einen 11-Jahres-Zyklus, und der Teil dieses Zyklus mit der meisten Sonnenaktivität – und Sturmpotenzial – wird als Sonnenmaximum bezeichnet. Während des Sonnenmaximums kommen die meisten Stürme von koronale Massenauswürfe (CMEs). Zu anderen Zeiten im 11-Jahres-Zyklus entstehen Stürme auch durch gleichläufige Wechselwirkungsregionen (CIR).
Sonne mit einem riesigen koronalen Massenauswurf. Bildnachweis: NASA
Aber was auch immer die Ursache ist, sie kommen alle von der Sonne, und ihre genauere Vorhersage ist zum Vorteil aller.
Die beiden Raumschiffe würden zusammenarbeiten, um die Sonne zu überwachen. L1 befindet sich im Sonnenwind in einer stromaufwärts gelegenen Position. L1-Messungen können uns Auskunft über das Weltraumwetter geben, das auf die Erde zusteuert. Die Position L5 gibt uns eine Art Seitenansicht der koronalen Massenauswürfe, die eine bessere Messung der Geschwindigkeit und Richtung eines CME ermöglicht. Zusammen würden die Informationen bessere Prognosen bedeuten.
„Eine der besten Möglichkeiten, sich schnell ändernde Sonnenaktivitäten zu beobachten, besteht darin, ein spezielles Raumfahrzeug etwas von unserer direkten Linie zur Sonne entfernt zu positionieren, damit es die ‚Seite‘ unseres Sterns beobachten kann, bevor er in Sichtweite rotiert“, sagte Juha- Pekka Luntama, verantwortlich für das Weltraumwetter im Missionskontrollzentrum der ESA in Darmstadt, Deutschland.
Die Raumsonde L1 würde das tatsächliche Material des Sturms messen, der auf die Erde zusteuert, und könnte seine Geschwindigkeit, Dichte, Temperatur und Druck messen. Es kann auch die Stärke und die Richtung der Interplanetares Magnetfeld (IMF), das ist der Teil des Sonnenmagnetfeldes, der durch den Sonnenwind der Sonne in den Weltraum gedrückt wird. Die Position L1 ermöglicht es der Raumsonde auch, die Sonnenscheibe und die Korona zu beobachten und energiereiche Teilchen von der Sonne zu messen.
Ein Konturdiagramm der effektives Potenzial aufgrund der Schwerkraft und der Zentrifugalkraft eines Zweikörpersystems in einem rotierenden Bezugssystem. Die Pfeile zeigen die Gradienten des Potenzials um die fünf Lagrange-Punkte herum an – bergab auf sie zu (rot) oder von ihnen weg (blau). Entgegen der Intuition ist das L4und ich5Punkte sind die Höhepunkte des Potenzials. An den Punkten selbst werden diese Kräfte ausgeglichen. Bildnachweis: Von Lagrange_points.jpg: erstellt von NASAderivative work: Xander89 (Talk) – Lagrange_points.jpg, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7547312
Die Position von L5 liegt 60 Grad hinter der Erde, während sie die Sonne umkreist. Die Raumsonde L5 würde die Dinge von der Seite betrachten und würde die Seite der Sonne sehen, die im Begriff war, sich zur Erde zu drehen. Dieses Raumschiff könnte auch beobachten, wie sich Plasmawolken ausbreiten und in Richtung Erde emittiert werden.
„L5 ist ein ausgezeichneter Ort für eine zukünftige ESA-Weltraumwettermission, weil es einen Vorausblick auf das Geschehen auf der Sonne bietet“, sagte Juha-Pekka in a Pressemitteilung .
„Die Raumsonde würde entscheidende Daten liefern, die uns helfen werden, auf der Erde ankommende Emissionen zu erkennen, unsere Vorhersagen der Ankunftszeit auf der Erde zu verbessern und Vorkenntnisse über aktive Regionen auf der Sonne zu liefern, wenn sie in Sichtweite rotieren.“
Für diese Mission wären die beiden Raumschiffe nicht identisch. Um ihre wissenschaftlichen Aufgaben zu erfüllen, bräuchte jeder eine andere Suite von Instrumenten. Zu diesen Instrumenten gehören Magnetographen, Koronagraphen, Heliosphären-Bildgeber, Magnetometer, Spektrometer, Plasmaanalysatoren und andere.
Die Lagrange-Mission würde Teil eines Netzwerks von Beobachtungseinrichtungen sowohl im Weltraum als auch hier auf der Erde werden, die sich der Vorhersage von Weltraumstürmen widmen. Zusammen bilden sie die ESA Weltraumwetter (SWE)-Netzwerk .
In einer Pressemitteilung erklärt die ESA, dass ein einziges extremes Weltraumwetterereignis bis zu 15 Milliarden Euro (16,2 Milliarden US-Dollar) verursachen könnte. Mit Vorwarnung könnten sich die Stromnetzbetreiber auf den Sturm vorbereiten, den Schaden mindern und sicherstellen, dass die Stromversorgung kritischer Einrichtungen wie Krankenhäuser nur minimal unterbrochen wird. Auch Satellitenbetreiber würden profitieren.
Die Mission befindet sich derzeit in der Designkonzeptphase. Daran arbeiten Experten für Weltraumwetter und Instrumentendesign aus Industrie- und Wissenschaftskonsortien in Europa. Die ESA sagt, dass sie innerhalb von etwa 18 Monaten ein Missionsdesign auswählen wird.
Mehr:
- Pressemitteilung: Lagrange-Mission
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