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Weltraumwetter, Sonnenwindstörungen und Funkausbrüche

WISSENSCHAFTENASTRONOMIE & RAUMWISSENSCHAFTWeltraumwetter, Sonnenwindstörungen und Funkausbrüche

Der Sonnenwind, der Strom elektrisch geladener Teilchen, der von der äußeren atmosphärischen Schichtkorona der Sonne ausgeht, stellt eine Bedrohung für die moderne menschliche Gesellschaft und die auf Elektrotechnologie basierende Lebensform dar. Das Erdmagnetfeld bietet Schutz vor dem einfallenden Sonnenwind, indem es diese ablenkt. Drastische Sonnenereignisse wie der Massenauswurf von elektrisch geladenem Plasma aus der Korona der Sonne erzeugen Störungen im Sonnenwind. Daher ist die Untersuchung von Störungen der Bedingungen des Sonnenwinds (das sogenannte Weltraumwetter) unerlässlich. Koronale Massenauswürfe (CMEs), auch „Sonnenstürme“ oder „Weltraumstürme“ genannt, sind mit den Sonnenradioausbrüchen verbunden. Die Untersuchung von solaren Funkausbrüchen in den Radioobservatorien kann eine Vorstellung von CMEs und Sonnenwindbedingungen geben. Die erste statistische Studie (vor kurzem veröffentlicht) von 446 aufgezeichneten Typ-IV-Funkausbrüchen, die im letzten Sonnenzyklus 24 beobachtet wurden (jeder Zyklus bezieht sich auf die Änderung des Sonnenmagnetfelds alle 11 Jahre), hat ergeben, dass die Mehrheit der lang anhaltenden Typ-IV-Radio-Solar Bursts wurden von Coronal Mass Ejection (CME) und Störungen der Sonnenwindbedingungen begleitet. 

So wie das Wetter auf der Erde von den Störungen des Windes beeinflusst wird, wird das Weltraumwetter von den Störungen des „Sonnenwinds“ beeinflusst. Aber die Ähnlichkeit endet hier. Im Gegensatz zum Wind auf der Erde, der aus Luft besteht, die aus atmosphärischen Gasen wie Stickstoff, Sauerstoff usw. besteht, besteht der Sonnenwind aus überhitztem Plasma, das aus elektrisch geladenen Teilchen wie Elektronen, Protonen, Alphateilchen (Heliumionen) und schweren Ionen besteht, die kontinuierlich aus dem Sonnenatmosphäre in alle Richtungen, auch in Richtung Erde.   

Die Sonne ist die ultimative Energiequelle für das Leben auf der Erde und wird daher in vielen Kulturen als Lebensspender respektiert. Aber es gibt auch eine andere Seite. Der Sonnenwind, der kontinuierliche Strom elektrisch geladener Teilchen (also Plasma), der aus der Sonnenatmosphäre stammt, gefährdet das Leben auf der Erde. Dank des Erdmagnetfelds, das den größten Teil des ionisierenden Sonnenwinds (von der Erde) ablenkt, und der Erdatmosphäre, die den größten Teil der verbleibenden Strahlung absorbiert und so vor der ionisierenden Strahlung schützt. Aber es steckt noch mehr dahinter – neben der Bedrohung der biologischen Lebensformen stellt Sonnenwind auch eine Bedrohung für die strom- und technologiegetriebene moderne Gesellschaft dar. Die Elektronik- und Computersysteme, Stromnetze, Öl- und Gaspipelines, Telekommunikation, Funkkommunikation einschließlich Mobilfunknetze, GPS, Weltraummissionen und -programme, Satellitenkommunikation, Internet usw. – all dies kann durch Störungen in Sonnenwind1. Astronauten und die Raumschiffe sind besonders gefährdet. In der Vergangenheit gab es mehrere Fälle davon, zB im März 1989 "Quebec-Blackout"' in Kanada verursacht durch massive Sonneneruption hatte das Stromnetz stark beschädigt. Auch einige Satelliten hatten Schäden erlitten. Daher die Notwendigkeit, die Bedingungen des Sonnenwinds in der Nähe der Erde im Auge zu behalten – wie seine Eigenschaften wie Geschwindigkeit und Dichte, magnetisches Feld Stärke und Orientierung sowie energetische Partikelniveaus (zB Weltraumwetter) werden einen Einfluss auf die Lebensformen und die moderne menschliche Gesellschaft haben.  

Kann wie „Wettervorhersage“ auch „Weltraumwetter“ vorhergesagt werden? Was bestimmt den Sonnenwind und seine Bedingungen in Erdnähe? Können ernsthafte Veränderungen des Weltraumwetters im Voraus bekannt sein, um vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen, um die schädlichen Auswirkungen auf die Erde zu minimieren? Und warum bildet sich überhaupt der Sonnenwind?   

Die Sonne ist eine Kugel aus heißem, elektrisch geladenem Gas und hat daher keine bestimmte Oberfläche. Die Photosphärenschicht wird als Sonnenoberfläche behandelt, da wir diese mit Licht beobachten können. Schichten unterhalb der Photosphäre nach innen zum Kern hin sind für uns opak. Die Sonnenatmosphäre besteht aus Schichten über der Photosphärenoberfläche der Sonne. Es ist der transparente gasförmige Halo, der die Sonne umgibt. Während der totalen Sonnenfinsternis besser von der Erde aus zu sehen, besteht die Sonnenatmosphäre aus vier Schichten: Chromosphäre, Sonnenübergangsregion, Korona und Heliosphäre.  

Sonnenwind entsteht in Korona, der zweiten Schicht (von außen) der Sonnenatmosphäre. Corona ist eine Schicht aus sehr heißem Plasma. Während die Temperatur der Sonnenoberfläche etwa 6000 K beträgt, beträgt die durchschnittliche Temperatur der Korona etwa 1-2 Millionen K. Der Mechanismus und die Prozesse der Erhitzung der Korona und der Beschleunigung des Sonnenwinds werden als "koronales Heizparadox" bezeichnet hohe Geschwindigkeit und Expansion in den interplanetaren Raum sind noch nicht gut verstanden, in einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung haben Forscher jedoch versucht, dies mithilfe von Photonen, die aus Axionen (dem hypothetischen Elementarteilchen aus dunkler Materie) stammen, zu lösen 3.  

Gelegentlich wird eine riesige Menge heißen Plasmas von der Korona in die äußerste Schicht der Sonnenatmosphäre (Heliosphäre) ausgestoßen. Als koronale Massenauswürfe (CMEs) bezeichnet, erzeugen die Massenauswürfe von Plasma aus der Korona große Störungen der Sonnenwindtemperatur, -geschwindigkeit, -dichte und des interplanetaren Magnetfelds. Diese erzeugen starke magnetische Stürme im Erdmagnetfeld der Erde 4. Die Eruption von Plasma aus Korona beinhaltet die Beschleunigung von Elektronen und die Beschleunigung geladener Teilchen erzeugt Radiowellen. Infolgedessen werden koronale Massenauswürfe (CMEs) auch mit Ausbrüchen von Funksignalen von der Sonne in Verbindung gebracht 5. Daher würden Weltraumwetterstudien die Untersuchung des Zeitpunkts und der Intensität von Massenauswürfen von Plasma aus der Korona in Verbindung mit den zugehörigen Sonnenausbrüchen beinhalten, die ein Typ IV-Funkausbruch sind, der über eine lange Dauer (länger als 10 Minuten) andauert.    

Das Auftreten von Radiobursts in den früheren Sonnenzyklen (dem periodischen Zyklus des Sonnenmagnetfeldes alle 11 Jahre) in Bezug auf koronale Massenauswürfe (CMEs) wurde in der Vergangenheit untersucht.  

Eine aktuelle statistische Langzeitstudie von Anshu Kumari et al. von Universität von Helsinki auf Radiobursts, die im Sonnenzyklus 24 beobachtet wurden, wirft ein weiteres Licht auf die Assoziation von lang andauernden Radiobursts mit breiterer Frequenz (so genannte Typ IV Bursts) mit CMEs. Das Team fand heraus, dass etwa 81 % der Typ-IV-Ausbrüche von koronalen Massenauswürfen (CMEs) gefolgt wurden. Ungefähr 19% der Typ-IV-Bursts wurden nicht von CMEs begleitet. Darüber hinaus werden nur 2.2 % der CMEs von Typ-IV-Funkbursts begleitet 6.  

Das schrittweise Verständnis des Timings von Typ IV-Ausbrüchen mit langer Dauer und der CMEs wird bei der Gestaltung und dem Timing der laufenden und zukünftigen Weltraumprogramme entsprechend helfen, um die Auswirkungen dieser auf solche Missionen und letztendlich auf die Lebensformen zu verringern und die Zivilisation an Die Erde

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References:    

  1. Weiß SM., nd. Solar Radio Bursts und Weltraumwetter. Universität von Maryland. Online erhältlich unter https://www.nrao.edu/astrores/gbsrbs/Pubs/AJP_07.pdf Zugegriffen am 29. Jamaurer 2021. 
  1. Aschwanden MJ et al 2007. Das koronale Erwärmungsparadoxon. The Astrophysical Journal, Band 659, Nummer 2. DOI: https://doi.org/10.1086/513070  
  1. Rusov VD, Sharph IV, et al. 2021. Koronale Erwärmungsproblemlösung mittels Axionursprungsphotonen. Physik des dunklen Universums Band 31, Januar 2021, 100746. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dark.2020.100746  
  1. Verma PL., et al 2014. Koronale Massenauswürfe und Störungen in Sonnenwind-Plasmaparametern im Zusammenhang mit geomagnetischen Stürmen. Journal of Physics: Konferenzreihe 511 (2014) 012060. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/511/1/012060   
  1. Gopalswamy N., 2011. Koronale Massenauswürfe und solare Radioemissionen. CDAW-Datenzentrum der NASA. Online erhältlich unter https://cdaw.gsfc.nasa.gov/publications/gopal/gopal2011PlaneRadioEmi_book.pdf Zugriff am 29. Januar 2021.  
  1. Kumari A., Morosan DE. und Kilpua EKJ., 2021. Über das Auftreten von Typ IV Solar Radio Bursts im Sonnenzyklus 24 und ihre Assoziation mit koronalen Massenauswürfen. Veröffentlicht am 11. Januar 2021. The Astrophysical Journal, Band 906, Nummer 2. DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abc878  

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Umesh Prasad
Umesh Prasadhttps://www.UmeshPrasad.org
Chefredakteur, Scientific European

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