Was ist ein solarer Strahlungssturm/Protonensturm?

Ein solarer Strahlungssturm (auch bekannt als Solar Proton Event oder SPE) tritt häufig nach großen Eruptionen auf der Sonne auf, wenn Protonen mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten, manchmal bis zu mehreren 10.000 km/s, ins All geschossen werden. Diese Strahlungsstürme können die Entfernung zwischen Sonne und Erde in nur 30 Minuten überbrücken und mehrere Tage andauern. In diesem Artikel werden wir erklären, was ein solarer Strahlungssturm ist und welche Auswirkungen er auf uns hat.

S-Skala

Die NOAA verwendet ein fünfstufiges System, die so genannte S-Skala, um den Schweregrad eines Sonnensturms anzugeben. Die Skala reicht von S1 bis S5, wobei S1 die niedrigste Stufe und S5 die höchste Stufe ist. Jeder S-Stufe ist ein pfu-Schwellenwert (Protonenfluxeinheit) zugeordnet. Zum Beispiel: Die S1-Stufe eines Sonnensturms ist erreicht, wenn der 10-Megavolt-pfu-Wert in geosynchronen Satellitenhöhen einen Wert von 10 erreicht. Beachten Sie, dass diese Skala ist logarithmisch aufgebaut. Das bedeutet, dass ein mäßiges (S2) Protonenereignis eintritt, wenn der Protonenfluss 100 pfu erreicht, nicht 20! Für einen starken (S3) Sonnenstrahlungssturm ist ein pfu von 1.000 erforderlich. Wir verwenden diese S-Skala häufig auf der Website, so dass es ratsam ist, sich mit ihr vertraut zu machen. Wir können die folgenden Klassen von solare Strahlungsstürmen definieren:

S-Skala	Beschreibung	Flussschwelle	Durchschnittliche Häufigkeit	Zuverlässigkeit ACE Sonnenwinddaten
S1	Geringer	101	50 pro Zyklus	Daten zuverlässig
S2	Mäßig	102	25 pro Zyklus	Daten könnten unzuverlässig sein
S3	Stark	103	10 pro Zyklus	Daten wahrscheinlich unzuverlässig
S4	Schwer	104	3 pro Zyklus	Daten wahrscheinlich unzuverlässig
S5	Extrem	105	Weniger als 1 pro Zyklus	Daten wahrscheinlich unzuverlässig

Gefahren

Strahlungsstürme sind für uns Menschen auf der Erde nicht gefährlich. Wir sind vor ihnen durch das Magnetfeld und die Atmosphäre der Erde geschützt. Ein Effekt, den wir auf der Erde bei starken solaren Strahlungsstürmen erleben können, dass Menschen beim Überfliegen der Polarregionen einer höheren Strahlungsdosis als normal ausgesetzt sind. Aufgrund dieser Strahlungsstürme müssen transpolare Flüge manchmal umgeleitet oder gestrichen werden. Ein weiterer Effekt besteht darin, dass es zu einigen Kommunikationsproblemen über den Polarregionen kommen kann. Die Protonen stellen auch eine Strahlengefahr für Astronauten dar, insbesondere bei ihren Aktivitäten außerhalb der Raumstation (Weltraumspaziergänge). Satelliten im Weltraum sind ebenfalls anfällig: Die Protonen beeinträchtigen die Effizienz von Solarmodulen, es kann zu Fehlfunktionen der Bordelektronik kommen und die Protonen verursachen Rauschen in Stern-Tracking-Systemen.

In arktischen Breiten kann die Hochfrequenz (HF)-Funkkommunikation problematisch oder sogar unmöglich werden. Die schnellen Protonen dringen in die Magnetosphäre ein und werden an den Magnetfeldlinien entlang nach unten geführt, wobei sie in die Atmosphäre in der Nähe des Nord- und Südpols eindringen. Sie ionisieren die D-Schicht, und dieser Prozess verhindert, dass die HF-Funkwellen die viel höher gelegenen Schichten E, F1 und F2 erreichen, wo die Funksignale normalerweise zur Erde zurück wieder umgelenkt werden. Solche Funkausfälle werden als Polkappen-Absorptionsereignisse (PCA) bezeichnet und können tagelang andauern. Die Folge ist, dass auf den transpolaren Strecken wenig bis gar kein HF-Funkverkehr möglich ist. Wir können die S-Skala verwenden, um den Schweregrad eines Polkappenabsorptionsereignisses (PCA) abzuschätzen.

S-Skala	Beschreibung	Auswirkungen
S1	Geringer	Geringe Auswirkungen auf den Funk in den Polarregionen.
S2	Mäßig	Seltene Auswirkungen auf den Funkverkehr in den Polarregionen und mit Satelliten.
S3	Stark	Beeinträchtigter HF-Funk und Positionierungsfehler der Navigation in den Polarregionen, Auswirkungen auf Satelliten mit bildgebenden Systemen und auf Sonnenkollektor-Ströme, erhebliche Strahlungsgefahr für Astronauten bei Außeneinsätzen (EVA) und für Flugpassagiere in hohen Breitengraden.
S4	Schwer	HF-Ausfall in den Polarregionen und Navigationsfehler über mehrere Tage, durch Satelliteneffekte beeinträchtigte Bildgebungssysteme und Probleme mit Speichergeräten, hohes Strahlungsrisiko für Astronauten bei Außenbordeinsätzen (EVA) und Passagiere von Flugzeugen in hohen Breiten.
S5	Extrem	Kein HF-Funk in den Polarregionen und Positionierungsfehler machen die Navigation sehr schwierig. Der Verlust einiger Satelitten und Einfüsse auf Speichersysteme führen zu Kontrollverlusten. Schließlich besteht ein unvermeidbares hohes Strahlungsrisiko für Astronaten bei Außenbordeinsatz und für Flugpassagiere in hohen Breitengraden.

Das Bild unten zeigt Ihnen ein gutes Beispiel dafür, was mit Satelliten während Sonnenstürmen passiert. Von links nach rechts sehen wir einige Bilder von zwei verschiedenen SOHO-Instrumenten. Auf der linken Seite sehen Sie, wie die Bilder normalerweise aussehen, wenn es keinen Sonnenstrahlungssturm gibt. Rechts sehen Sie, was während eines schweren S4-Sturms mit Sonnenstrahlung passiert. Es prallen so viele Protonen auf den Sensor der Kamera, dass die Bilder stark verrauscht sind. Die Bilder sind fast unbrauchbar.

Animated GIF (900kB)

Probleme mit dem Advanced Composition Explorer (ACE) bei Sonnenstürmen

Es ist möglich, dass während eines Sonnenstrahlungssturms einige Daten des Satelliten Advanced Composition Explorer (ACE) kontaminiert werden und falsche Werte anzeigen. Dies ist anhand der Sonnenwind-Parameter ersichtlich, die vom SWEPAM-Instrument stammen. Die Sonnenwind-Geschwindigkeit wird geringer als sie wirklich ist und die Dichte wird kleiner als 1 Proton pro Quadratzentimeter. Die Daten, die sich auf das interplanetare Magnetfeld (IMF) beziehen, bleiben während eines Sonnen-Strahlungssturms zuverlässig. Diese falschen Messwerte können auftreten, wenn ein Sonnen-Strahlungssturm das S2-Niveau erreicht (mäßiger Sonnen-Strahlungssturm) und oft bis weit nach dem Eintreffen eines koronalen Massenauswurfs andauern, was das Erkennen des Eintreffens eines koronalen Massenauswurfs erheblich erschwert. Das DSCOVR-Raumschiff, das ACE im Jahr 2016 ersetzte, hat diese Probleme nicht.

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