Weltraumwetter und Ionosphäre



 Illustration des Weltraumwetters und seines Einflusses auf die Erde
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Der Begriff Weltraumwetter umfasst alle komplexen Einflüsse und Auswirkungen der Sonne und anderer kosmischen Quellen auf den Zustand des erdnahen Weltraums bis hin zur Erdoberfläche, auf Funktion und Betriebssicherheit weltraumgestützter und bodengebundener technischer Systeme sowie auf Leben und Gesundheit des Menschen.
Stürmisches Weltraumwetter kann faszinierende Polarlichter in der Ionosphäre verursachen, aber auch Satelliten durch Schädigung ihrer empfindlichen Bordelektronik und Solarzellen unbrauchbar machen oder gar zum vorzeitigen Absturz bringen. Solare Strahlungsausbrüche und koronale Massenauswürfe (CME) stören Dichte, Komposition und Struktur des ionosphärischen Plasmas.

Eine frühe Information über den Sonnenwind erhalten wir vom NASA-Satelliten 'Advanced Composition Explorer’ (ACE). Das DLR Neustrelitz gehört zum ‘Real Time Solar Wind’ (RTSW) Netzwerk der National Oceanic and Atmpospheric Administration (NOAA) der USA. Die RTSW Daten liefern zuverlässige Warnungen vor starken Sonnenstürmen etwa eine Stunde im Voraus. ACE- Daten sind damit auch die Grundlage für die Verbesserung der Vorhersage ionosphärischer Störungen.

Die von Satelliten abgestrahlten Radiowellen werden auf ihrem Weg durch die Ionosphäre vom Plasma abgebremst, von der geradlinigen Ausbreitung abgelenkt und an Plasma-Inhomogenitäten gestreut. Bei den Signalen Globaler Navigations-Satelliten-Systeme (GNSS), entspricht dieser Laufzeitfehler einer Entfernung von bis zu 100 Metern.
Durch Weltraumwetter verursachte Turbulenzen des ionosphärischen Plasmas streuen einfallende Signale und führen am Navigationsempfänger zu starken Schwankungen der Signalstärke, den sogenannten Radioszintillationen. Starke Radioszintillationen treten fast nur in hohen und äquatornahen Breiten auf. Dennoch können ionosphärische Störungen auch in Mitteleuropa Genauigkeit und Sicherheit präziser GNSS- Anwendungen beeinträchtigen und damit deren Wirtschaftlichkeit reduzieren.

In Analogie zum traditionellen Wetterdienst stehen am Beginn einer Korrektur oder Reduzierung von Ausbreitungseffekten zunächst einmal die möglichst schnelle und umfassende Messung von Zustandsparametern der globalen Ionosphäre und deren schnelle Weiterverarbeitung in einem geeigneten Prozessierungssystem. Im DLR in Neustrelitz werden bereits seit 1995 aus den vom Internationalen GNSS Service (IGS) kostenlos bereitgestellten GPS-Messungen „Ionosphären-Wetterkarten“ errechnet, die GPS-Nutzern eine erste Information über Weltraumwetter-Effekte liefern. Gegenwärtig tragen auch das institutseigene GNSS-Netzwerk und Kleinsatelliten wie CHAMP und GRACE zur Schaffung einer langfristigen und repräsentativen globalen Datenbasis bei.

 Rekonstruktion der oberen Ionosphäre aus GPS-Navigationssignalen auf CHAMP
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Im Rahmen der von der Europäischen Weltraumagentur ESA und der vom Land Mecklenburg-Vorpommern geförderten Projekte SWIPPA bzw. SWACI werden bereits seit mehreren Jahren in Zusammenarbeit mit unseren Kooperationspartnern erste Erfahrungen für die Einrichtung eines operationell arbeitenden Ionosphären-Wetterdienstes gesammelt. Ausgewählte Daten werden auch an das Space Weather European NETwork (SWENET) weitergegeben.

Dieser Ionosphären-Wetterdienst soll Betreiber und Nutzer moderner Telekommunikations- und präziser Radio-Messsysteme langfristig mit relevanten Informationen zu den aktuellen und prognostizierten Ausbreitungsbedingungen für Radiowellen versorgen.

Um dies zu gewährleisten, werden auf der Grundlage der im Institut verfügbaren breiten Datenbasis eine Reihe von Forschungsarbeiten zur Struktur und Dynamik der Ionosphäre durchgeführt. Hierzu gehören vor allem auch Arbeiten zur Detektierung ionosphärischer Störungen und ihrer dynamischen Entwicklung.

Starke Ionisationsgradienten, durch Schwerewellen angeregte wellenartige Prozesse wie auch kleinräumige Inhomogenitäten des Plasmas führen zu einer Qualitätseinbuße bei der Nutzung präziser GNSS- Referenznetze.

Untersuchungen ionosphärischer Ausbreitungsfehler höherer Ordnung im Brechungsindex, die durch die üblichen linearen Korrekturverfahren nicht restlos kompensiert werden, liefern operationell nutzbare Ansätze zu deren Korrektur.


Kontakt
Dr.rer.nat. Norbert Jakowski
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Kommunikation und Navigation
, Navigation
Tel: +49 3981 480-151

Fax: +49 3981 480-123

E-Mail: Norbert.Jakowski@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/kn/desktopdefault.aspx/tabid-2204/3257_read-9150/
Texte zu diesem Artikel
Ionosphärische Effekte und Korrekturen (http://www.dlr.de/kn/desktopdefault.aspx/tabid-4796/7953_read-12812/usetemplate-print/)