Leben mit einem Stern - Teil 2: Weltraumwetter

Bereits am Ende des Apollo-Programms beschloss die NASA, die erste (für die USA) Orbitalstation ins All zu bringen. Alles lief gut, und die dritte Mission ( Skylab-4 ), die im Februar 1974 endete, bereitete die Station auf die Erhaltung vor, indem sie ihre Umlaufbahn um 11 km (auf 433 x 455 km) erhöhte. Nach den Prognosen der NASA zur Sonnenaktivität sollte die Station bis 1983 im Orbit bleiben, als der dritte Shuttle- Flug seine Umlaufbahn wieder erhöhen sollte. Es wurde jedoch schnell klar, dass der aktuelle Sonnenzyklus stärker sein würde als erwartet. Im September 1977 wurde beschlossen , eine unbemannte Mission zur Station zu schicken, um die Umlaufbahn anzuheben, und im Oktober 1979 sollte sie fliegen, aber leider: Die Station verließ die Umlaufbahn bereits am 11. Juli dieses Jahres.

Dies war die größte Folge des Einflusses des Weltraumwetters auf menschliche Aktivitäten (und möglicherweise die größte Fehleinschätzung der NASA in Prognosen für ihre gesamte Geschichte), die zum Verlust der Station im Wert von 2,5 Milliarden US-Dollar führte. Das zweite schwerwiegende Ereignis war 1989 ein 9-stündiger Stromausfall in der Provinz Quebec (Kanada), von dem 6 Millionen Menschen betroffen waren (der Schaden wird auf 30 Millionen US-Dollar geschätzt ). In der Fortsetzung des Artikels über Sonnenaktivität werde ich darüber sprechen, wie sich das Weltraumwetter (was seine Manifestation ist) auf die menschliche Aktivität auswirkt.

Auf die eine oder andere Weise hängen die meisten Erscheinungsformen des Weltraumwetters mit dem Magnetfeld der Erde zusammen. Ich empfehle daher, mit einer Untersuchung ihrer Struktur zu beginnen:

Erdmagnetosphäre

Die Wechselwirkung des Sonnenwinds (und der koronalen Emissionen) mit dem Erdmagnetfeld beginnt in einer Entfernung von etwa 10 Erdradien, wobei sich eine Kopfstoßwelle bildet. Zu diesem Zeitpunkt wird der Überschallfluss ionisierter Partikel stark auf Unterschallgeschwindigkeit gehemmt und kondensiert. Während des Minimums des 11-Jahres-Zyklus bewegt sich die Stoßwelle weiter von der Erde weg (aufgrund der Abschwächung des Sonnenwindflusses), während des Maximums nähert sie sich der Erde.

In der Magnetopausenregion ist das Erdmagnetfeld dem Sonnenfeld endgültig überlegen, und geladene Teilchen beginnen sich entlang ihrer Induktionslinien zu bewegen (zwischen diesen Regionen befindet sich eine Magnetscheide). Auf der der Sonne gegenüberliegenden Seite befindet sich ein magnetischer Schwanz, der auf tausend Erdradien zurückgeführt werden kann.

Die Neigung der Erdachse (23 °) und die Abweichung der geomagnetischen Pole von dieser Linie (weitere 11 °) führen dazu, dass sich der magnetische Dipol der Erde im Verlauf um ± 35 ° zur Ekliptikebene neigt (dies ist im Diagramm nicht dargestellt).


Die meisten geladenen Teilchen hüllen das Magnetfeld frei ein, aber zu Zeiten, in denen äußere Störungen des Feldes zu einer Wiederverbindung des Magnetfelds führen, werden die geladenen Teilchen zu den polaren Höckern verworfen, gleichzeitig zur Bildung von Auroren . Die auf diese Weise eingefangene Substanz ist die Hauptquelle für geladene Teilchen in der Plasmasphäre der Erde (Regionen mit kaltem Plasma).

Die Bedeutung des Magnetfelds für den Schutz des Planeten und der Astronauten vor den schädlichen Auswirkungen der Sonne ist stark übertrieben. Der Mars (der kein volles Magnetfeld hat) verliert während des Dissipationsprozesses ungefähr 8,5 Tonnen seiner Atmosphäre pro Tag, während die Erde ungefähr 90 Tonnen verliert. Der Schutz von Kosmonauten vor solaren kosmischen Strahlen beträgt das 200- bis 10.000-fache, der Schutz vor koronalen Emissionen jedoch nur das 10- bis 20-fache (bei geringerem Schutz entsprechen Ereignisse mit größerer Schwere). Dies ist nicht mit dem Schutz der Atmosphäre zu vergleichen, der viele Größenordnungen beträgt.

Strahlungsgürtel der Erde

Der externe Strahlungsgürtel besteht hauptsächlich aus Elektronen mit Energien von mehreren zehn keV und erstreckt sich in einer Entfernung von 13 bis 60.000 km von der Erde. Der innere Gürtel besteht hauptsächlich aus Protonen mit Energien von mehreren zehn MeV und erstreckt sich über eine Entfernung von 1-6.000 km. In Regionen mit magnetischen Anomalien kann dieser Gürtel jedoch erheblich „durchhängen“:



Die bedeutendste dieser Anomalien ist die Südatlantikanomalie ( SAA ), bei der der interne Strahlungsgürtel auf eine Höhe von 200 km abfällt. Es ist die Hauptursache für Ausfälle bei Satelliten mit niedriger Umlaufbahn und trägt erheblich zur Bestrahlung von Astronauten bei (ca. 15-20%).

Die Hauptquelle für Partikel in den Strahlungsgürteln der Erde sind kosmische Windpartikel, die dort durch die polaren Höcker eindringen. Es gibt jedoch eine Reihe anderer Quellen: Die Wechselwirkung von galaktischen kosmischen Strahlen mit atmosphärischen Teilchen bildet Ströme von Sekundärteilchen (die den Hauptbeitrag zu Protonen mit einer Energie von 20-30 MeV und Elektronen mit einer Energie von 0,1-1 GeV leisten); abnorme kosmische Strahlen (die einfach oder doppelt geladene Atome mit einer Energie in der Größenordnung von 10 bis 20 MeV sind); Sonneneruptionen (Beitrag zu Protonen mit Energien über 1 MeV); Ionosphäre (Teilchen mit Energien bis zu mehreren hundert keV).

Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe

Sonneneruptionen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und erreichen die Erde in 8,5 Minuten. Sonnenkosmische Strahlen kommen in wenigen Stunden auf die Erde. Die Hauptquelle für magnetische Stürme (koronale Emissionen) breitet sich jedoch im Durchschnitt mit einer Geschwindigkeit von 470 km / s und einer Höchstgeschwindigkeit von etwas mehr als 3.000 km / s aus, was die Ankunftszeit des Hauptsturms auf der Erde im Bereich von 0,5 bis 5 Tagen angibt.

Die weitere Entwicklung von Ereignissen hängt stark von der Richtung des Magnetfelds des koronalen Ausstoßes ab: Wenn es mit dem Erdmagnetfeld ausgerichtet ist, umhüllt ihn der Fluss geladener Teilchen größtenteils einfach; Wenn sie in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind, beginnt sich der Partikelfluss intensiv zu verlangsamen, während gleichzeitig die Kopfstoßwelle näher an die Erde gedrückt wird (durchschnittlich bis zu 6-8 Erdradien). Bei den stärksten geomagnetischen Stürmen kann die Stoßwelle fast in die Atmosphäre selbst gedrückt werden:

Geomagnetische Stürme

Pro Monat können 0 bis 8 geomagnetische Stürme auftreten (abhängig von der Dauer des 11-Jahres-Zyklus). Die Störungen des Magnetfelds, die während des Sturms erzeugt werden, sind ungleichmäßig und wachsen von einem Minimum am Äquator zu einem Maximum in den Breiten 62-67 °. Die durchschnittliche Leistung des Energieeintrags in die Magnetosphäre (durch den Sonnenwind) beträgt 3 * 10 ¹¹ W (dies ist eine Größenordnung weniger als die derzeitige Stromerzeugung in der Welt). In diesem Fall kann die Gesamtenergie eines einzelnen geomagnetischen Sturms 2 * 10 ²¹ J erreichen, seine Freisetzung dauert jedoch mehrere Tage, sodass die magnetischen Störungen während der Stürme eher schwach sind. Die von ihnen in langen leitenden Leitungen erzeugten geoinduzierten Ströme ( GIT ) können jedoch Dutzende und Hunderte von Ampere erreichen, was zu einer Reihe unerwünschter Effekte führt:

In Stromleitungen können solche Streuströme zu einer erhöhten Erwärmung der Transformatoren, einer verringerten Effizienz und sogar zu einem Ausfall führen (der bedeutendste Fall war Quebec, 13. März 1989 ). Bei Kommunikationsleitungen kann dies zu Störungen führen, bis zu einem vollständigen Kommunikationsverlust für mehrere Stunden / Tage (der bedeutendste Fall ereignete sich am 1. und 2. September 1859, 23 Jahre vor dem Erscheinen des ersten Kraftwerks der Welt, sodass der Schaden nicht so groß war). . Bei Rohrleitungen kann dies zu einer Verringerung der Wirksamkeit des kathodischen Schutzes zur Bekämpfung von Korrosion führen (dieser Effekt ist kumulativer Natur und tritt nicht sofort auf). Bei Eisenbahnen können dadurch verschiedene an die Bahnstrecke angeschlossene Automatisierungen deaktiviert werden.

Diese Ströme sind jedoch nicht transzendent, und wenn Sie sie beim Entwurf der leitenden Leitungen in Verbindung mit verschiedenen technischen Methoden berücksichtigen, können Sie Geräteausfälle auch bei schwersten geomagnetischen Stürmen vermeiden. Stürme führen auch zu einem anderen interessanten Phänomen:

Auroren

Das Überfüllen der „Magnetfalle“ der Erde während koronaler Auswürfe führt zur Ausfällung geladener Teilchen in die Atmosphäre in den Regionen der Erdpole. Gegenüber den Atomen der Atmosphäre verursachen sie ihre Ionisation , und bereits diese Atome emittieren Licht. In der Erdatmosphäre sind hauptsächlich Stickstoff- und Sauerstoffatome für diesen Prozess verantwortlich, der die grünliche Farbe der Aurora bestimmt. Auf anderen Planeten kann die Farbe der Aurora völlig unterschiedlich sein (aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung ihrer Atmosphäre).


Foto von Jack Fisher aus dem Kupol-Modul der ISS

Die Wirkung geladener Teilchen führt nicht nur zu einem schönen Leuchten, sondern auch zu einer fast vollständigen Blockierung der kurzwelligen Kommunikation in den Polarregionen für bis zu mehrere Tage (aufgrund einer Störung des Prozesses der Signalreflexion von der Ionosphäre). Diese Effekte wirken sich auch auf kürzere Wellenlängen aus: Die Verlangsamung des Prozesses der Ausbreitung von Dezimeterwellen durch die Ionosphäre führt daher dazu, dass die Genauigkeit von Satellitennavigationssystemen in diesen Bereichen um eine Größenordnung (bis zu 50 m) sinken kann.

Die zweite Industrie, gemessen an der Strahlenexposition ihrer Arbeiter, ist nicht nuklear (wie viele vielleicht denken), sondern die Luftfahrt : In den Höhen der Zivilluftfahrt (ca. 10 km) befindet sich der größte Teil der Atmosphäre, die alle Arten von kosmischen Strahlen gut abschirmt, unter Ihnen. Trotzdem beträgt die durchschnittliche Dosis für Flugpersonal in den USA nur 3,01 mSv / Jahr (was immer noch 6,5-mal weniger als unsere Standards und 2-mal weniger als die EU-Standards ist). Für normale Passagiere, die keinen wesentlichen Teil ihres Lebens am Himmel verbringen, gibt es in den meisten Fällen nichts zu befürchten.

Während eines geomagnetischen Sturms kann sich die Situation jedoch dramatisch ändern: Geladene Teilchen, die in die Atmosphäre eindringen , erzeugen Bremsstrahlung , die auf der Erdoberfläche immer noch sicher ist. In den Höhen, in denen der Flug stattfindet, nimmt die Hintergrundstrahlung jedoch erheblich zu und man muss damit rechnen. Dies führt dazu, dass sich die Flugwege, die in diesen Zeiträumen in der Nähe der Erdpole verlaufen, erheblich in Richtung Äquator verschieben können (dies ist auch auf den Wunsch zurückzuführen, Bereiche zu meiden, in denen die Kommunikation mit Flugzeugen gestört sein könnte). Glücklicherweise ist diese Art von Flügen schon ziemlich viel (Daten für 2009):



Zur Berechnung der Dosis, die Sie während des Fluges erhalten können, hat die US Federal Aviation Administration einen speziellen Antrag veröffentlicht .

Auswirkungen auf die Erde

Die Gesamtleuchtkraft der Sonne während des 11-Jahres-Zyklus ändert sich nur um 0,1%. In bestimmten Gebieten können die Änderungen jedoch viel höher sein: Beispielsweise können Änderungen im ultravioletten Bereich des Spektrums 6-8% betragen und zu einer Erhöhung der Ozonproduktion in der Erdatmosphäre führen (als Treibhausgas) während Sonnenhöhen. Andererseits geht diese Zeitspanne mit einer Zunahme der Auroren einher, während derer geladene Teilchen bis zu einer Höhe von 25 bis 30 km eindringen und Ozonzerstörung in den Polarregionen verursachen können (bis zu 20% der Gesamtkonzentration in einem Fall).

Ein weiterer bewährter Weg, die Atmosphäre zu beeinflussen, ist die Trübung (wenn auch kein direkter, sondern ein indirekter Effekt). Es sieht so aus: Ein Strom galaktischer kosmischer Strahlen, der mit Teilchen der Atmosphäre kollidiert, bildet einen Schauer von Sekundärteilchen, dessen Maximum im Bereich der oberen Grenze der Troposphäre beobachtet wird . Diese Sekundärteilchen werden zu Kondensationspunkten von Wasserdampf in der Atmosphäre, was zur Bildung von Wolken führt . Wolken - reduzieren die durchschnittliche Transparenz unserer Atmosphäre. Infolgedessen nimmt während eines Sonnenmaximums die Transparenz der Atmosphäre zu und während eines Minimums ab.



Während des 10-jährigen Experiments „CLOUD“ (durchgeführt am CERN ) wurde festgestellt, dass kosmische Strahlen zwar erheblich zur Wolkenbildung beitragen, ihr Einfluss jedoch bei weitem nicht der einzige ist: Bei verschiedenen chemischen Reaktionen von Schwefelsäure können Kondensationsquellen entstehen. Ammoniak und organische Verbindungen, die sowohl von lebenden Organismen als auch bei menschlichen Aktivitäten in die Luft freigesetzt werden.

Auswirkungen auf die Astronautik

Bei Fahrzeugen mit niedriger Umlaufbahn stellen Schwankungen der Dichte der oberen Atmosphäre während des 11-Jahres-Zyklus die größte Bedrohung dar: Bei einer Höhe von etwa 150 km ist der Einfluss der Sonne auf die Dichte der Atmosphäre minimal, aber ab dieser Höhe beginnt sie zu wachsen und erreicht einen Unterschied in einer Größenordnung zwischen Sonnenenergie Minimum und Maximum (maximal stellt sich heraus, dass es aufgrund einer Zunahme der Dichte des Sonnenwinds und der ultravioletten Strahlung dichter ist). Dies kann die Geräte dazu zwingen, die Häufigkeit von Orbitalmanövern zu erhöhen , um ihre Umlaufbahn von 4 Mal pro Jahr (während des Sonnenminimums) auf einmal in 2-3 Wochen (während des Maximums) aufrechtzuerhalten.


Vergleich der Lebensdauer von KORONAS-I (oben) und KORONAS-F (unten), die in eine etwa 500 km hohe polare Umlaufbahn nahe dem Minimum bzw. Maximum des 23. Sonnenzyklus gestartet wurden.

Eine weitere Bedrohung sind Fackeln und koronale Auswürfe, die eine Strahlenbelastung für Astronauten und automatische Geräte verursachen. Sie treten am häufigsten während des maximalen Sonnenzyklus auf. Gleichzeitig nimmt jedoch die Strömung des Sonnenwinds zu, wodurch die Sonnenheliosphäre dichter wird und ihre Größe leicht zunimmt (deren Pulsationen von den Reisenden aufgezeichnet wurden). Dies wiederum erhöht die Abschirmung des Flusses galaktischer kosmischer Strahlen (die von außen zum Sonnensystem gelangen) und verringert deren Fluss. Die Gesamtdosis an Strahlung, die Astronauten in der Erdumlaufbahn empfangen, nimmt also sogar während des Sonnenmaximums ab:



Statische Elektrizität stellt eine separate Bedrohung für den Apparat dar, die auftritt, wenn sie von Elektronen bombardiert werden, die mit Sonnenwind, koronalen Emissionen oder bei Störungen des Erdmagnetfelds aus dem externen Strahlungsgürtel auf uns einströmen.

Am schwersten sind geostationäre Satelliten, deren Umlaufbahn (von 6,6 Erdradien) bei großen geomagnetischen Stürmen über die Kopfschockwelle (davor) hinausragt. Daher sind sie gezwungen, periodisch durch die am stärksten gestörten Regionen der Erdmagnetosphäre zu gelangen und zeigen einen direkten Fluss von Koronarmassenauswürfen. Dies führt zu strengen Einschränkungen der Strahlungsbeständigkeit für die elementare Datenbank von Geräten und zur Notwendigkeit einer besonders sorgfältigen Prüfung des Schutzes vor statischer Elektrizität, da die Geräte in dieser Umlaufbahn jahrzehntelang existieren müssen.

Weltraumwettervorhersage

Die in der Praxis am weitesten entfernten Prognosen sind die 45- und 27-Tage-Prognosen. Obwohl sie eine geringe Genauigkeit haben, werden sie bereits bei der Planung der Aktivitäten von Astronauten verwendet: Sie basieren auf der Verteilung ihrer Arbeit, sodass die Astronauten zu einem Zeitpunkt in den Weltraum gehen, an dem sich die Sonne mit dem geringsten aktiven Bereich (mit der geringsten Anzahl von Punkten) zu uns dreht.

Die Genauigkeit der 3-Tage-Vorhersage erreicht bereits 30-50%, aber die maximale Genauigkeit (ca. 95% und höher) kann nur durch die stündliche Vorhersage von Satelliten am Lagrange-Punkt L ₁ (1,5 Millionen km von der Erde entfernt) erreicht werden der Sonne entgegen). Jetzt gibt es zwei solche Satelliten: den am 25. August 1997 gestarteten ACE und das DSCOVR- Gerät, das kürzlich in die Umlaufbahn gebracht wurde (9. Februar 2015). Solche Indikatoren mit geringer Genauigkeit werden durch die Tatsache verursacht, dass das von der rotierenden Sonne erzeugte interplanetare Magnetfeld die Natur einer Spiralstruktur hat:



Und koronale Massenauswürfe (durch dieses Magnetfeld abgelenkt) können im letzten Moment die Erde „umrunden“, während sie diesen Apparat erfassen. Das Problem, genaue 3-Tage-Vorhersagen zu erhalten, ist die Heterogenität dieses Magnetfelds, was die Vorhersage der Ausbreitung koronaler Auswürfe erschwert.

Die Geschichte von Denis Rogov, einem Mitarbeiter des Arctic and Antarctic Research Institute, über das Weltraumwetter.

Sun Tracking Services, verschiedene Länder:

NOAA Space Weather Forecasting Center (USA): http://www.swpc.noaa.gov/

ESA Space Awareness Program (EU): http://swe.ssa.esa.int/

Gemeinsames Projekt von Roscosmos und LPI (Russland): www.tesis.lebedev.ru

Projekt der Abteilung für Weltraumplasmaphysik, IKI RAS (Russland): www.spaceweather.ru

Sun Impact Analysis Center (Belgien): sidc.oma.be

Australian Bureau of Metrology: www.sws.bom.gov.au.

Internationaler Weltraumwetterdienst (ISES): www.spaceweather.org

Kanadisches Ministerium für natürliche Ressourcen : www.spaceweather.gc.ca

Separate Handelsorganisation www.spaceweather.com