Was ist ein solarer Strahlungssturm/Protonensturm?

A solar radiation storm (also known as a Solar Proton Event or SPE) occurs often after major eruptions on the Sun when protons get launched at incredibly high speeds, sometimes up to several 10.000 km/s. These radiation storms can bridge the Sun-Earth distance in as little time as 30 minutes and last for multiple days. In this article we are going to explain what a solar radiation storm is and what kind of effects it has on us.

S-Skala

NOAA uses a five-level system called the S-scale, to indicate the severity of a solar radiation storm. This scale ranges from S1 to S5, with S1 being the lowest level and S5 being the highest level. Every S-level has a pfu (proton flux unit) threshold associated with it. For example: S1 solar radiation storm levels are reached when the 10 MeV pfu count reaches a value of 10 at geosynchronous satellite altitudes. Do note that this scale is actually logarithmic. What that means it that a moderate (S2) proton event occurs when the proton flux reaches 100 pfu, not 20! For a strong (S3) solar radiation storm, a pfu of 1000 is required. We often use this S-scale on the website so it’s wise to familiarize yourself with it. We can define the following solar radiation storm classes:

Gefahren

Solar radiation storms are not dangerous for people on Earth. We are protected from these storms by Earth's magnetic field and Earth's atmosphere. One effect that we can experience on Earth during strong solar radiation storms is an increased risk of people on transpolar flights receiving a higher dose of radiation than normal. Transpolar flights sometimes have to be rerouted or canceled because of these radiation storms. Another effect is that it can cause some communication problems over the polar areas. These protons are also a radiation threat to astronauts, in particular during their extra-vehicular activities (space walks). Satellites out in space are also vulnerable: these protons degrade solar panel efficiency, on board electronic circuitry can malfunction and the protons will create noise in star-tracking systems.

At arctic latitudes, High Frequency (HF) radio communication can become problematic or even impossible. The fast moving protons penetrate the magnetosphere and are guided down the magnetic field lines, penetrating the atmosphere near the north and south poles. These protons ionize the D-layer and this process prevents the HF radio waves from reaching the much higher E, F1 and F2 layers where these radio signals normally refract and bounce back to Earth. Such radio blackouts are known as Polar Cap Absorption (PCA) events and can last for days. The result is little to no HF radio communication being possible over trans polar routes. We can use the S-scale to estimate the severity of a Polar Cap Absorption (PCA) event.

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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