Wie kann ein Sonnensturm vorhergesagt werden?

Sie können hier nach ein paar verschiedenen Dingen fragen.

1 Ereignisse auf der Sonnenoberfläche

Ereignisse auf der Sonne selbst können in Richtung der Erde gehen oder auch nicht, aber dies ist der erste Schritt eines Vorhersagesystems. Ich glaube, es gibt zwei Ansätze:

a) Sehen Sie sich an, was vor etwa einem Monat passiert ist, und sagen Sie voraus, dass es immer noch da sein wird, wenn dieser Teil der Sonne wieder ins Sichtfeld zurückkehrt. Ich denke, dies wurde eine Weile versucht, da es konzeptionell einfach ist.

b) Versuchen Sie, ein Ereignis (z. B. Flare oder CME) anhand des Erscheinens anderer messbarer Merkmale auf der Sonne vorherzusagen. Ich glaube, das ist ziemlich in die Modellierung involviert und noch nicht erwachsen geworden (weiß es jemand besser?)

2 Ereignisse in Erdnähe

Ein geomagnetischer Sturm ist die Bezeichnung für Phänomene, die auf der Erde messbar sind, aber durch frühere Ereignisse auf der Sonne verursacht wurden. Während eine Fackel (z. B. Röntgenstrahlen) schnell zur Erde gelangen kann, kann die damit einhergehende Freisetzung von Feinstaub in der Größenordnung von drei Tagen dauern.

a) Eine klare Sicht auf die Sonne in mehreren Wellenbereichen erlaubt daher eine recht frühzeitige Warnung, beweist jedoch nicht, dass das an der Sonne gesehene Ereignis auf die Erde zusteuert (Stichwort mehr Modellierungsarbeit) oder sich wann magnetisch mit dem Erdfeld verbinden wird es tut (lokale Messungen erforderlich).

b) Das Vorhandensein von Instrumenten bei L1 zum Abtasten der lokalen Umgebung kann sehr wohl viel mehr über die Störungen in der lokalen Region des Weltraums aussagen, aber unglücklicherweise ist eine Warnung nicht viel früher (einige Stunden).

Sonneneruptionen bewegen sich mit etwa 2000 km/s fort. Funk bewegt sich mit 300.000 km/s, sodass ein Raumschiff bei L1 (1,5 Millionen km entfernt) wie DISCOVR etwa 12 Minuten lang warnt, wenn die Sonneneruption es erreicht.

Raumfahrzeuge wie SOHO beobachten die Sonne, und diese Beobachtungen werden zB von der NOAA verwendet , um zu versuchen , Eruptionen vorherzusagen :

Gegenwärtige Methoden zur Vorhersage von Eruptionen sind problematisch, und es gibt keinen sicheren Hinweis darauf, dass eine aktive Region auf der Sonne eine Eruption erzeugen wird. Viele Eigenschaften von Sonnenflecken und aktiven Regionen korrelieren jedoch mit Flaring. Zum Beispiel erzeugen magnetisch komplexe Regionen (basierend auf einem Magnetfeld in Sichtlinie), die als Delta-Spots bezeichnet werden, die größten Fackeln. Ein einfaches Schema der Sonnenflecken-Klassifizierung nach McIntosh oder bezogen auf fraktale Komplexität.[57] wird üblicherweise als Ausgangspunkt für die Vorhersage von Flares verwendet.[58] Vorhersagen werden normalerweise in Form von Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten von Fackeln oberhalb der Klasse M oder X GOES innerhalb von 24 oder 48 Stunden angegeben.

Satelliten wie DSCOVR werden verwendet, um Sonnenstürme vorherzusagen.

Nein sind sie nicht. Raumfahrzeuge können Sonnenstürme nicht vorhersagen. Sie können einen Benutzer darüber informieren, dass etwas auf die Erde zukommt, aber sie können den Beginn von Sonnenphänomenen nicht vorhersagen. Das heißt, Raumfahrzeuge können warnen, aber sie können nichts vorhersagen (ich werde später unterscheiden, dass Benutzer, die Daten interpretieren, bei Sonnenphänomenen dasselbe Schicksal erleiden).

Denken Sie daran, dass die Informationen am schnellsten mit Lichtgeschwindigkeit zum Raumfahrzeug in der Nähe des ersten Lagrange-Punkts L1 gelangen . Dinge wie Sonneneruptionen können also nicht vorhergesagt werden, da sie nur lokalisierte Verstärkungen der elektromagnetischen (EM) Strahlung sind (normalerweise dominiert im UV- und Röntgenbereich). Das heißt, bis wir die Fackel "sehen", ist es bereits zu spät.

Warum fragst du? Nun, das Raumschiff macht eine Messung, dann verarbeitet die Elektronik sie. Selbst wenn wir einen Echtzeit-Telemetriestrom haben, wird es immer noch eine Verzögerung von mehreren Mikro- bis Millisekunden zwischen der Beobachtung und der Übertragung geben. Die Übertragung bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Emissionen der Sonneneruptionen, befindet sich aber jetzt mindestens mehrere Kilometer hinter der Vorderkante der Emissionen der Sonneneruptionen. Dann empfängt eine Bodenstation die Telemetriepakete und dekodiert sie, verpackt sie dann neu und sendet sie an den Benutzer weiter. Der Benutzer empfängt die paketierten Dateien und öffnet dann die Dateien, kalibriert die Daten und zeichnet die Ergebnisse auf. All diese Schritte können viele Sekunden bis mehrere Minuten oder länger dauern, sobald die Übertragung des Raumfahrzeugs die Bodenstation erreicht.

Für die EM-Strahlung einer Fackel werden wir also niemals in der Lage sein, den Benutzer zu warnen.

Es gibt jedoch oft Phänomene wie solare energetische Teilchen (SEPs) , die aus Sonneneruptionen resultieren (und verwandte Phänomene wie koronale Massenauswürfe (CMEs) ). Die Elektronen-SEPs kommen normalerweise kurz nach der EM-Strahlung von der Fackel. Kurz hier hängt von der Energie der Elektronen und der Verzögerung der Freisetzungszeit der Elektronen ab (dh die Prozesse, die Elektronen beschleunigen, finden nicht unbedingt gleichzeitig mit denen statt, die die EM-Strahlung emittieren). Trotzdem sollten die Elektronen mit der höchsten Energie die Erde in etwas mehr als acht Minuten erreichen, dh etwas länger als die EM-Strahlung. Dies ist strittig, da DSCOVR keine Hochenergie-Elektronenteleskope hat, aber wir werden dies für den Moment ignorieren. Unabhängig davon können wir sehen, dass Elektronen auch nicht gut für ein Warnsystem sind.

Wie wäre es also mit energetischen Ionen? Nun, hier sind wir möglicherweise besser geeignet, da diese erheblich länger brauchen können, um die Erde zu erreichen, als die Elektronen oder die EM-Strahlung (dh Minuten). Die energiereichsten davon (dh ~1 GeV Protonen bewegen sich mit ~88% der Lichtgeschwindigkeit) werden sehr schnell zur Erde gelangen, aber die Teilchen mit niedrigerer Energie brauchen viel länger. Wenn wir also zusätzlich zu energetischen Elektronen (dh mehrere 10 keV bis 100 keV) verstärkte, lokalisierte EM-Strahlung im UV- und Röntgenband sehen, können wir damit rechnen, dass kurz darauf energetische Ionen eintreffen und möglicherweise Kunden warnen. Dies ist jedoch auch unwahrscheinlich aufgrund der Verzögerung zwischen der Raumfahrzeugmessung und dem Benutzer-Plotting, die ich oben erwähnt habe.

Gibt es also Hoffnung? Der vielleicht vorteilhafteste und einzig praktikable Weg (zumindest im Moment) wäre die Verwendung eines Raumfahrzeugs mit einem Koronographen wie SOHO mit einem Echtzeit-Telemetriestrom mit hoher Übertragungsrate und automatisierten Bodenübertragungs- und Plotschemata (d. h. Minimierung langsamer menschlicher Schritte als so viel wie möglich). Allerdings besteht auch hier die Ungewissheit, nicht zu wissen, ob eine beobachtete CME auf die Erde zu oder von ihr weg gerichtet ist. In der 2D-Projektion, die diese Imager erzeugen, sieht ein solches CME wie ein expandierender Ring aus, daher der Name Halo CME . Bei starken Ereignissen, die auf die Erde gerichtet sind, werden die Bilder oft von einem Phänomen namens Schnee begleitet. Dies sind nur energiereiche Partikel, die auf die CCDs in der Kamera treffen und Flecken und Streifen im Bild verursachen. Diese treten im Allgemeinen nicht auf, wenn der Halo-CME von der Erde weg gerichtet ist (aber nicht immer).

Was bleibt uns also? Angenommen, die Coronagraph-Methode funktioniert und wir wissen, dass die CME auf die Erde gerichtet ist, was dann? Warnen wir unsere Kunden davor, Raumfahrzeuge abzuschalten oder in Sicherheitsmodi zu wechseln, um interne Systeme sofort zu schützen? Die schnellsten CMEs bewegen sich mit über 2000 km/s fort, was bedeutet, dass sie die Erde in knapp 20 Stunden erreichen. Sie können sich in etwa 12 Minuten von L1 zur Erde ausbreiten, also können wir nicht wirklich warten, bis die L1-Monitore sie sehen, wenn es ein schneller ist. Woher wissen wir, dass es sich um einen schnellen CME handelt? Wir nicht wirklich, ohne zusätzliche Informationen. Die 2D-Projektionen in Koronogrammbildern sind schwer zu interpretieren und können ohne zusätzliche Beobachtungen uneingeschränkte Schätzungen liefern.

Können wir diese Phänomene also im Voraus vorhersagen? Nein, nicht mit statistischer Sicherheit. Das Beste, was wir tun können, ist, einen großen und starken Sonnenfleck zu beobachten und so etwas zu sagen wie: „Das Ding wird gleich ausbrechen …“ Okay, wir können es etwas besser machen, aber das sind weitere Seiten mit Nuancen und Vorbehalten. Aber die größten und stärksten Sonnenflecken erzeugen nicht immer die stärksten Flares oder CMEs. Manchmal erzeugen sie viele kleinere Ereignisse, aber keine großen Ereignisse (zumindest keine auf den Seiten der Sonne, die wir beobachten können), während andere mehrere kleine und mittlere Ereignisse mit einigen großen Ereignissen erzeugen. Es ist wirklich nicht möglich, mit einiger Sicherheit genau vorherzusagen, was die solaraktive Region tun wird.

Wenn Sie mit den Schwierigkeiten bei der Wettervorhersage vertraut sind, wissen Sie vielleicht Folgendes zu schätzen. So haben Sie bestimmt schon von vereinzelten Gewittern gehört, die der Fluch eines Meteorologendaseins sind. Der Grund dafür ist, dass sie wirklich unberechenbare Bestien sind. Sie können aus mikro- und mesoskaligen Schwankungen entstehen oder durch diese getötet werden. Selbst mit Tausenden und Abertausenden von Messstellen gleichzeitig über einer kleinen Landregion können wir diese Dinge immer noch nicht vorhersagen, außer zu sagen, ob die Bedingungen gut oder schlecht für sie sind.

Im Weltraum haben wir weniger als ein Dutzend Raumfahrzeuge, die der direkten Beobachtung der Sonne und des Sonnenwinds gewidmet sind. Das Volumen des zu überwachenden Weltraums ist um Größenordnungen größer als ein Bezirk in einem US-Bundesstaat, richtig, aber wir haben nur drei Echtzeit-Monitore (dh SOHO, ACE und DSCOVR) und mehrere weitere In-situ-Raumfahrzeuge (z , Wind , STEREO, Parker Solar Probe , Solar Orbiter usw.).

Um dies ins rechte Licht zu rücken, waren die Wettervorhersagen in den 1950er Jahren aus zwei Hauptgründen genauer als unsere besten Bemühungen mit dem heutigen Weltraumwetter: Wir brauchen 1000 mehr Beobachtungspunkte, um überhaupt konkurrieren zu können, und das Sonnenwetter beinhaltet Magnetfelder, die mindestens drei weitere Gleichungen zum Lösen hinzufügen zum Modellieren (normalerweise sind es sechs oder mehr).

Also nein, wir können Weltraumwetterphänomene nicht mit zuverlässiger Genauigkeit vorhersagen.