Auswirkungen von Weltraumwetter auf Satellitenorbits

In unserem Alltagsleben haben sich wahrscheinlich schon die meisten Menschen Gedanken über das Wetter und da sie ein wichtiger Begleiter in unserem Leben ist, auch die Wettervorhersage gemacht. Das Projekt ESPRIT ist im Forschungsbereich Weltraumwetter angesiedelt , welches in gewisser Weise in Analogie zu unserem irdischen Wetter gesehen werden kann. Beim Weltraumwetter beschäftigt man sich mit den sich zeitlichen ändernden Rahmenbedingungen im Weltraum, wie etwa unterschiedlichen physikalischen Prozessen auf der Sonne, dem Sonnenwind, der Magnetosphäre und der oberen Erdatmosphäre. Einhergehend mit der immer rasanter fortschreitenden technologische Entwicklung können Veränderungen im Weltraumwetter zu massiven Beeinträchtigungen unseres Alltag führen. Von der Sonne ausgestoßene riesige Wolken aus magnetisiertem Plasma, sogenannte koronale Massenauswürfe, sind in der Lage, elektronische Systeme am Erdboden aber auch bei Satelliten zu schädigen. Des Weiteren kann es zu Störungen bei Navigation und Kommunikationsdiensten oder sogar zu Ausfällen von kompletten Stromnetzen kommen, mit weitreichenden Folgen in unterschiedlichen Sektoren. Vor diesem Hintergrund ist es einleuchtend, dass eine möglichst genaue Vorhersage des Weltraumwetters, ähnlich dem irdischen Wetter, von entscheidender Bedeutung ist. Ist die Genauigkeit bei der Vorhersage des irdischen Wetters schon weit fortgeschritten, so steckt die Prädiktion des Weltraumwetters, speziell beim Auftreten von Sonneneruptionen noch verhältnismäßig in den Kinderschuhen. Ziel des Projektes ESPRIT ist es nun die physikalischen Zustände des Sonnenwindplasmas und des interplanetaren Magnetfeldes sowie die eigentliche Solarstrahlung während unterschiedlicher Sonnenaktivitäten zu erforschen. Darauf aufbauend sollen bestehende Algorithmen zur Modellierung der Dichte der oberen Erdatmosphäre und der daraus ableitbaren Rate für mögliche Höhenverluste von Satelliten optimiert werden. Zudem ist bekannt, dass bestimmte vorherrschende chemische Zusammensetzungen bestehend aus NO, CO2 und He in der oberen Erdatmosphäre einen sogenannten Kühleffekt auslösen können. Diese Effekte sind in der Lage, der Aufheizung der Erdatmosphäre beim Eintreffen von Teilchen einer Sonneneruption entgegenzuwirken. Auf den ersten Blick könnte man meinen, dass solche Zustände vorteilhaft sind da sie die negativen Folgen von Sonneneruptionen auf die Erdatmosphäre abschwächen. Da jedoch deren Ursprung noch nicht vollständig geklärt werden konnte, ist dieses nicht absehbare Verhalten der Atmosphäre vielmehr von Nachteil da es sich negativ auf die Vorhersagegenauigkeit auswirkt. Aus diesem Grund soll auch dieser Gesichtspunkt näher untersucht werden und gewonnene Erkenntnisse hinsichtlich der Kühl- und Aufheizprozesse in der oberen Erdatmosphäre in die Modellierung mit einfließen.

Satelliten sind für unser tägliches Leben unerlässlich, aber sie sind einer ständigen Bedrohung durch Weltraumwettereinflüsse ausgesetzt. Das Projekt "The effect of space weather on satellite orbits" (ESPRIT) wurde ins Leben gerufen, um die physikalischen Bedingungen des Sonnenwindes und des interplanetaren Magnetfelds zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf deren Auswirkungen während Sonneneruptionen (koronale Massenauswürfe, Sonneneruptionen) lag. Ein Hauptziel war es, zu analysieren, wie diese Phänomene die Umlaufbahnen von Satelliten im Weltraum beeinflussen. Im Laufe des Projekts haben wir eine Vielzahl von Aspekten dieses komplexen Systems analysiert, Mängel in bestehenden Modellen identifiziert und erfolgreich neue Methoden entwickelt, um diese zu beheben. Ein grundlegender Bestandteil unserer Arbeit war die Erstellung einer detaillierten, frei zugänglichen Datenbank. Diese wurde durch eine gründliche Analyse von Messungen aus über zwanzig Jahren und von verschiedenen Beobachtungstechniken aufgebaut. Die Datenbank, die Korrelationen zwischen verschiedenen solaren und magnetischen Parametern darstellt, diente auch als Grundlage für das Prognosewerkzeug SODA (ESA Space Safety Program I.161). Das SODA-Tool wurde entwickelt, um die Auswirkungen von koronaren Massenauswürfen (CMEs) auf Satellitenbahnen vorherzusagen. In diesem Zusammenhang lag unser Fokus in ESPRIT vorwiegend auf komplexen, interagierenden CME-Ereignissen und auf dem Verständnis der Kühleffekte innerhalb der Erdatmosphäre. Wir verglichen systematisch die in-situ-Stickoxid (NO)-Messungen des TIMED-Satelliten mit den Ergebnissen unserer eigenen atmosphärischen Modelle (z. B. dem Kompot-Code) durch. Um die Produktion von NO-Molekülen und ihren Einfluss auf die thermosphärische Struktur und den Luftwiderstand des Satelliten besser zu verstehen, modellierten wir mit diesem 1D-Atmosphärenmodell die Hintergrundstruktur der Thermosphäre und berücksichtigten dabei die einfallende Röntgen-, EUV- und IR-Strahlung während ausgewählter Weltraumwetterereignisse. Ein zentrales wissenschaftliches Ergebnis war die entscheidende Rolle der "Electron Precipitation" bei der Produktion von thermosphärischem NO, das wiederum einen signifikanten Kühleffekt hat. Wir haben gezeigt, dass die Integration dieser Wechselwirkung für eine präzise Thermosphärenmodellierung von größter Bedeutung ist. Wir konnten auch feststellen, dass die Auswirkungen von Sonnenstürmen je nach Satellitenhöhe und der Höhe der Exobase erheblich variieren. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass das zusammengeführte elektrische Feld ein zuverlässigerer und stabilerer Indikator für die Vorhersage der erwarteten Auswirkungen eines CME-Ereignisses auf Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn ist. Dieses Projekt führte nicht nur zu bedeutenden wissenschaftlichen Fortschritten, sondern festigte auch eine Partnerschaft zwischen den teilnehmenden und kollaborierenden Forschungseinrichtungen innerhalb der Wissenschaftsgemeinschaft in Graz. Diese erfolgreiche Zusammenarbeit legte den Grundstein für neue Forschungsideen und -fragen, die unsere Arbeit auch in Zukunft weiter vorantreiben werden.