NOAA schreibt das Buch zur Einstufung von Sonnenstürmen neu: die Fähigkeiten, die Wissenschaft und unser Verständnis der Wissenschaft – in den letzten 25 Jahren hat sich beim Weltraumwetter viel verändert. Die Technologie hat sich verbessert und Wissenschaftler haben Erkenntnisse über extreme Weltraumwetterereignisse gewonnen, die auf historische geomagnetische Stürme wie den Halloween-Sonnensturm im Oktober 2003 und das Hanno-Ereignis im Mai 2024 folgten. Mit Blick auf die Zukunft suchen Wissenschaftler des Space Weather Prediction Center (SWPC) der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) nun nach Möglichkeiten, die Öffentlichkeit besser über Weltraumwetterereignisse zu informieren, die sich auf die Erde auswirken könnten. Aus diesem Grund bittet die NOAA die Öffentlichkeit um ihren Beitrag zur Neufassung ihrer Weltraumwetterskalen.
Geomagnetische Stürme enthalten geladene Sonnenteilchen, die vom Erdmagnetfeld in Richtung der Pole getrieben werden, wo sie mit der Atmosphäre interagieren und helle Polarlichter erzeugen. Matthew Dominic/NASA/X
NOAA hat in Zusammenarbeit mit dem National Weather Service (NWS) eine Aufforderung herausgegeben, in der Organisationen und die Öffentlichkeit aufgefordert werden, Informationen darüber auszutauschen, welche Änderungen zur Aktualisierung der Weltraumwetterskalen beitragen könnten (Einreichungsfrist ist jetzt abgelaufen). Ziel ist es, das Verständnis der möglicherweise auftretenden Weltraumwetterbedingungen und ihrer möglichen Auswirkungen auf Menschen im Weltraum und auf der Erde sowie auf die verschiedenen Systeme, die in der Vergangenheit betroffen waren, zu erleichtern.
Illustration eines koronalen Massenauswurfs, der die Erdatmosphäre trifft. Mark Garlick/Science Photo Library
Die NOAA-Weltraumwetterskalen wurden 1999 entwickelt, als das Weltraumwetter mit dem Aufkommen neuer Technologien zur Untersuchung des Wetters im Weltraum immer beliebter wurde. Die Raumsonden waren mit verschiedenen Instrumenten zur Untersuchung des Sonnenwinds und zur Überwachung der Sonnenaktivität ausgestattet. Sie wurden nach bestehenden Maßstäben modelliert, die zur Klassifizierung meteorologischer Ereignisse auf der Erde verwendet werden. Die Skalen beschreiben drei Arten von Umweltauswirkungen, basierend auf den drei Hauptgruppen von Auswirkungen, die durch Sonneneruptionen entstehen. Darüber hinaus enthält jede Skala Informationen darüber, wie wahrscheinlich es im Durchschnitt ist, dass jede Art von Ereignis auftritt, und welche Art von Intensität jeder Stufe zugeordnet ist.
Bei geomagnetischen Stürmen konzentrieren sich die Geltungsbereichskategorien auf die Auswirkungen auf den Betrieb von Raumfahrzeugen, Stromnetzen und anderer Bodeninfrastruktur.
NOAA Geomagnetische Sturmskala. NOAA/SWPC
In den Kategorien der Sonnenstrahlung umfassen die Auswirkungen biologische Auswirkungen auf Astronauten und Flugzeugpassagiere sowie mögliche Auswirkungen auf Satelliten und andere Systeme.
NOAA-Sonnenstrahlungssturmskala. NOAA/SWPC
Die dritte Skala, Funkausfälle, konzentriert sich auf die Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Hochfrequenzfunkkommunikation (HF) sowie auf Navigationssysteme.
NOAA-Funkausfallskala. NOAA/SWPC
Notfallorganisationen wie die Federal Emergency Management Agency (FEMA) haben damit begonnen, SWPC mehr darüber zu befragen, ob und wie sich Funkausfälle auf die Satelliten- und Mobiltelefonkommunikation auswirken könnten, basierend auf dem Wortlaut der Funkausfallskala. Weitere Beispiele waren Bedenken hinsichtlich der unterschiedlichen „Strahlung“ eines Sonnensturms. Auch Raumfahrzeugbetreiber sind an neuen Dimensionen des Weltraumwetters interessiert, da immer mehr kommerzielle Unternehmen bei der Bereitstellung von Diensten auf Satelliten angewiesen sind.
Die NOAA wird ihre Erkenntnisse zu den neuen Weltraumwetterbedingungen voraussichtlich bis Ende des Jahres abschließen und die Informationen dann an verschiedene Regierungsbehörden weiterleiten, darunter das Weiße Haus, das Energieministerium, das Verkehrsministerium und die Federal Aviation Verwaltung (FAA). Die Ergebnisse werden den Teams von NOAA und NWS als Orientierungshilfe dienen, wenn sie Entscheidungen darüber treffen, welche Änderungen kurz- und langfristig vorgenommen werden müssen.
Der Index der von der Sonne gespeicherten Energie hat Rekordwerte für das 21. Jahrhundert erreicht. Der Sonnenzyklusindex, der die im Stern gespeicherte Energie angibt, erreichte entgegen allen Prognosen fast Rekordwerte für das 21. Jahrhundert und übertraf damit die Werte der beiden vorherigen Sonnenzyklen, Sergei Bogachev, Leiter des Labors für Solarastronomie bei Das sagte das Institut für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften gegenüber RIA Novosti.
„Daten zum Sonnenzyklusindex für August 2024 sind eingegangen und in Weltkataloge aufgenommen worden, und sie sehen äußerst interessant aus. Ihren Angaben zufolge lag der Durchschnittswert des Index im August bei 215,5, was nicht nur für den aktuellen 25., sondern auch für den vorherigen 24. Sonnenzyklus, dessen Maximum in den Jahren 2012-2014 auftrat, ein absoluter Rekord wurde“, sagte Bogatschew.
Ihm zufolge wurden höhere Werte der Sonnenaktivität im 21. Jahrhundert nur in den Jahren 2000-2001 beobachtet, auf dem Höhepunkt des 23. Aktivitätszyklus, der sich dann entwickelte. Darüber hinaus war die Höhe des Zyklus schon damals niedriger als heute und betrug 213. Ein höherer Wert, der einen absoluten Rekord für das laufende Jahrhundert darstellt – 244 – wurde im Juli 2000 registriert.
Die Höhe des Zyklus wird anhand der Anzahl der Sonnenflecken und ihrer Gruppen gemessen, die pro Monat auf der der Erde zugewandten Seite der Sonne sichtbar sind. Es spiegelt die von der Sonne gespeicherten Reserven an Magnet- und Flare-Energie wider. Solche Berechnungen werden seit 1749 durchgeführt (der damals entstehende Sonnenzyklus erhielt die Nummer Null).
Bogatschew betonte, dass die aktuelle Situation auf der Sonne nicht den bisher gemachten Prognosen entspreche. Es wurde erwartet, dass das Maximum fast zweimal niedriger und genau unter den Spitzenwerten der beiden vorherigen Zyklen liegen würde. Darüber hinaus glaubt ein erheblicher Teil der Wissenschaftler, dass selbst solch hohe Werte nur mittelmäßig sind und die maximale Aktivität im Jahr 2025 erreicht wird.
„Der Sonnenzyklus, der Werte nahe Rekordwerten erreicht, hat noch nicht zu einem synchronen Anstieg der Flare-Aktivität geführt. Derzeit hat die Häufigkeit von Flares und Magnetstürmen deutlich zugenommen, die Ereignisse vom Mai dieses Jahres sind jedoch immer noch von rekordverdächtiger Stärke. Dennoch sind die Risiken von Großereignissen im September sehr hoch“, fügte der Wissenschaftler hinzu.
Die Russische Akademie der Wissenschaften warnte davor, dass am 13. September eine Wolke aus Sonnenplasma die Erde treffen wird. Eine Wolke aus Sonnenplasma wird am Donnerstagabend mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,9 Prozent die Erde treffen, berichteten das Labor für Sonnenastronomie des Instituts für Weltraumforschung und das ISTP RAS.
„Wir haben Modellierungsergebnisse für die dritte Plasmaemission erhalten, die in den letzten Tagen stattgefunden hat und die diesmal immer noch eine Wahrscheinlichkeit von 99,9 Prozent hat, den Planeten zu treffen.“ <…>Berechnungen zeigen derzeit, dass Sonnenmaterie morgen gegen 22:00 Uhr Moskauer Zeit eintreffen wird“, heißt es in der am Abend des 11. September veröffentlichten Nachricht.
Wie die Wissenschaftler betonten, waren die verwendeten Modelle dieses Mal nahezu fehlerfrei. Die Russische Akademie der Wissenschaften schätzte die Stärke des erwarteten Magnetsturms als mäßig ein.
Die Modelle des Labors deuten auch auf eine hohe Wahrscheinlichkeit von Nordlichtern in mittleren Breiten hin.
In nur wenigen Wochen könnte eine besonders aktive Aurora-Saison beginnen. Aufgrund der Neigung der Erde, die zu einer intensiveren geomagnetischen Aktivität um die Tagundnachtgleiche führt, ist der September möglicherweise die beste Zeit, um helle Polarlichter zu beobachten.
Im Mai traf der stärkste geomagnetische Sturm seit zwei Jahrzehnten die Erde und verursachte intensive Nordlichter bis nach Florida und Mexiko im Süden. Es gibt keine Garantien, aber es gibt Grund zu der Annahme, dass es auf beiden Seiten der Herbst-Tagundnachtgleiche dieses Monats (22. September) mehrere Wochen lang zu geomagnetischen Stürmen kommen könnte, die stärker als normal sind. Dies könnte eine kurze Aurora-Saison bedeuten.
Dies ist auf den sogenannten Russell-McPherron-Effekt zurückzuführen, der erklärt, warum es in den Zeiträumen um die beiden Tagundnachtgleichen der Erde, März und September, oft zu den farbenprächtigsten Polarlichtern kommt.
Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen von der Sonne, der sich infolge von Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen (Coronal Mass Ejections, CMEs) – starken Ausbrüchen von Strahlung und Sonnenmaterial – plötzlich verstärkt. Die magnetische Aktivität auf der Sonne hat einen Zyklus, der 11 Jahre dauert. Sie sollte jetzt ihren Höhepunkt erreichen. Dies ist jedoch nicht der Grund, warum die Aurora-Saison unvermeidlich sein könnte. Polarlichter entstehen, wenn geladene Teilchen des Sonnenwinds in das Erdmagnetfeld eindringen und mit Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen in der Atmosphäre kollidieren; Dadurch werden die Moleküle angeregt, sodass sie Licht in leuchtenden Farben aussenden.
Während das Erdmagnetfeld und das Feld des Sonnenwinds aufgrund des Russell-McPherron-Effekts typischerweise falsch ausgerichtet sind, werden die Magnetpole der Erde während der Tagundnachtgleiche geneigt, um geladene Teilchen leichter aufzunehmen. Da die nach Süden gerichteten Magnetfelder innerhalb des Sonnenwinds das Nordmagnetfeld der Erde aufheben, öffnen sich Risse in der Magnetosphäre der Erde, wodurch der Sonnenwind leichter entlang der Magnetfeldlinien fließen kann. Diese Geometrie eignet sich gut für die nördliche Hemisphäre, da während der September-Tagundnachtgleiche 12 Stunden Dunkelheit auf 12 Stunden Tageslicht folgen.
In den letzten Tagen wurden mehrere Plasmaemissionen auf der Sonne registriert, die jedoch alle an der Erde vorbei gerichtet waren. Ein Teil der Plasmawolken wurde von der Sonnenrückseite ausgestoßen und galt in dieser Position grundsätzlich als ungefährlich. Doch am 7. September kam es auf der sichtbaren Seite unseres Sterns zu einem großen Auswurf, der mit seinem Rand unseren Planeten hätte berühren können. Dies war der Grund für die Vorhersage von magnetischen Stürmen schwacher und mittlerer Stärke der Klasse G1 – G2 für den Abend des Dienstags, den 10. September.
Am 9. September schoss die Sonne eine neue große Plasmamasse aus, und dieses Mal fast genau in Richtung der Erde. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine neue Wolke frontal auf unseren Planeten trifft, liegt bei über 90 %.
Wie auf der Website des Labors für Solarastronomie des Instituts für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften und des ISTP SB RAS berichtet, zeigen Satellitenbilder eine etwa 30 Millionen Kilometer große Wolke aus Sonnenmaterie, die sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 800 bewegt km/s.
Obwohl die Zahl der Sonnenflecken auf der Sonne im August 2024 ein weiteres 20-Jahres-Hoch erreichte, haben die jüngsten Sonneneruptionen die beiden Sonneneruptionen vom September 2017 noch nicht übertroffen. Einer dieser Ausbrüche, der sich vor sieben Jahren, am 10. September 2017, ereignete, hält noch immer ungebrochene Rekorde.
Im September 2017 begann die Niedergangsphase des vorherigen Sonnenzyklus (Sonnenzyklus 24), deren Höhepunkt im Jahr 2014 erreicht wurde. Nach einer Zeit geringer Sonnenaktivität kam es in der aktiven Region AR 12673 schnell zu einer Reihe von Sonneneruptionen der X-Klasse, die bemerkenswertesten davon ereigneten sich am 6. und 10. September 2017.
Diese Fackeln wurden ursprünglich als X8.2 und Diese Klassen von Flares haben ihren endgültigen Höhepunkt im aktuellen 25. Sonnenzyklus trotz insgesamt viel höherer Sonnenaktivität noch nicht erreicht.
Obwohl der Flare vom 10. September 2017, der vor sieben Jahren stattfand, der etwas kleinere der beiden Flares war, stellte er eine Reihe von Rekorden auf, darunter: schnellster magnetischer Austritt, schnellste CME-Beschleunigung, stärkste Langzeit-Gammastrahlenquelle.
Sonnenflecken sind Bereiche mit starkem Magnetfeld auf der Sonnenoberfläche mit einer niedrigeren Temperatur (6330 Grad Fahrenheit oder 3500 °C) als die umgebende Sonnenoberfläche (9930 °F oder 5500 °C), was ihnen ein dunkleres Aussehen verleiht. Magnetfelder von Sonnenflecken werden seit Jahrzehnten kontinuierlich gemessen, und der Zusammenhang zwischen der Stärke/Komplexität von Magnetfeldern von Sonnenflecken und ihrer Fähigkeit, große Sonneneruptionen zu erzeugen, ist gut bekannt.
Das Magnetfeld eines Sonnenflecks kann im Laufe der Zeit zu- oder abnehmen und sich über die typische Lebensdauer eines Sonnenflecks von mehreren Wochen kontinuierlich weiterentwickeln. In den Tagen vor den Sonneneruptionen am 6. und 10. September 2017 erzeugte AR 12673 eine der schnellsten Magnetfelddarstellungen, die jemals in einer sonnenaktiven Region beobachtet wurden. Ohne diese schnelle Manifestation des Magnetfelds wären die größten Flares des Sonnenzyklus wahrscheinlich nicht möglich.
Das Solar Dynamics Observatory der NASA hat dieses Bild einer Sonneneruption (im hellen Flare rechts zu sehen) am 10. September 2017 aufgenommen. Das Bild zeigt eine Kombination von Wellenlängen extrem ultravioletten Lichts, das extrem heißes Material aufblitzen lässt, das dann gefärbt wurde. NASA/SDO/Goddard
Sonneneruptionen sind die Umwandlung von Energie aus magnetischer Energie in der Sonnenatmosphäre in die Beschleunigung von Teilchen, wodurch das Sonnenplasma erhitzt und Licht im gesamten Spektrum emittiert wird. Etwa 50 % der Sonneneruptionen sind mit einem koronalen Massenauswurf (CME) verbunden, einem Ausbruch von Sonnenplasma aus der Sonnenatmosphäre.
Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe werden oft verwechselt, aber sie lassen sich anhand der folgenden Analogie leichter unterscheiden: Stellen Sie sich eine abgefeuerte Waffe vor. Die Explosion von Schießpulver, das Geräusch der Explosion und der Blitz aus der Mündung können als Sonneneruption betrachtet werden, während ein koronaler Massenauswurf eine ausgeworfene Kanonenkugel ist.
Der Ausbruch am 10. September 2017 löste einen großen koronalen Massenauswurf (CME) über dem westlichen Rand der Sonne aus, der nicht direkt auf die Erde gerichtet war. Dieser durch einen großen Flare verursachte koronale Massenauswurf war mit der schnellsten jemals beobachteten koronalen Massenbeschleunigung und einer der schnellsten anfänglichen koronalen Massengeschwindigkeiten (4300 km/s) synchronisiert.
Sonneneruptionen emittieren Licht im größten Teil des Spektrums, von Radiowellen bis hin zu Röntgenstrahlen. Gammastrahlen, die energiereichsten Wellenlängen des Lichts, werden nur bei den stärksten Sonneneruptionen erzeugt. Die Fackel am 10. September 2017 erzeugte nicht nur ein deutliches Gammastrahlensignal, sondern sendete auch mehr als 12 Stunden lang weiterhin Gammastrahlen aus. Diese vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA beobachtete Gammastrahlenemission einer Sonneneruption stellte den Rekord als stärkste Gammastrahlenquelle auf, die jemals länger als 12 Stunden am Himmel beobachtet wurde.
Zusammen mit der Freisetzung von Gammastrahlen löste das Ereignis auch einen der größten Stürme solarenergetischer Teilchen aus, die von der Erdoberfläche aus beobachtet wurden und der ebenfalls mehrere Stunden andauerte. Eine typische Sonneneruption dauert mehrere zehn Minuten, und die größten Eruptionen der X-Klasse dauern normalerweise etwa eine Stunde. Allerdings können einige Sonneneruptionen, die treffend als „Langzeitereignisse“ bezeichnet werden, viel länger als eine Stunde dauern. Der Flare vom 10. September 2017 ist ein extremes Beispiel dafür, und es gibt starke Hinweise darauf, dass der Flare mehr als 24 Stunden andauerte, viel länger als die beobachtete Gammastrahlenquelle.