In Zusammenarbeit mit der in Neustrelitz ansässigen Arbeitsgruppe Ionosphärische Effekte und Korrekturen des Instituts für Kommunikation und Navigation hat das DLR_School_Lab ein besonderes Schülerprojekt zur Beobachtung und Erforschung von Erscheinungen des Weltraumwetters entwickelt. Interessierte Schulen können daran aktiv mitwirken!
Weltraumwetter – Ursachen und Folgen
Polarlicht über Alaska. Bild: USAF
Weltraumwetter hört sich für den Laien sehr abstrakt an. Es geht dabei um den sogenannten „Sonnenwind“, der aus elektrisch geladenen Partikeln besteht, die von der Sonne ausgesandt werden. Im Gegensatz zu den uns bekannten Wettererscheinungen ist das Weltraumwetter nicht durch Wolken und Sonnenschein oder durch Nebel und Regen gekennzeichnet. Erscheinungen des Weltraumwetters sind bis auf die Polarlichter mit den menschlichen Sinnen nicht direkt wahrnehmbar. Sie können den erdnahen kosmischen Raum, technologische Systeme im Weltraum und auf der Erde und nicht zuletzt auch die Gesundheit des Menschen beeinflussen. Deshalb sind für die Menschen der heutigen modernen Gesellschaft Kenntnisse über das Weltraumwetter und seiner Schwankungen sehr wichtig. Ein faszinierendes Phänomen des Weltraumwetters sind die in hohen nördlichen und südlichen Breiten häufig beobachtbaren farbenprächtigen Polarlichter (Aurora Borealis bzw. Aurora Australis).
Das Weltraumwetter wird zum Großteil durch die Aktivität der Sonne bestimmt. Von ihr werden neben elektromagnetischer Strahlung (z. B. sichtbares Licht) auch elektrisch geladene Teilchen (Sonnenwind) in das All emittiert.
Solar Flares und CMEs
Schematische Darstellung des Auftreffens des Sonnenwinds auf das Magnetfeld der Erde mit dem teilweise bis in die Atmosphäre vordringende Teilchenschauer, der Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle zum Leuchten anregt. Bild: NASA/ESA
Gelegentliche Strahlungsausbrüche (Solar Flares) und gewaltige koronale Massenauswürfe (CMEs) können ein extrem „schlechtes“ Weltraumwetter verursachen, das die Funktion moderner technischer Infrastrukturen wie Telekommunikation und Navigation erheblich beeinträchtigen und auch die Gesundheit oder gar das Leben von Astronauten gefährden kann. Die während intensitätsstarker solarer Flares emittierte Röntgenstrahlung wird glücklicherweise in der Erdatmosphäre in ca. 70 km Höhe absorbiert. Die dabei spontan erzeugte zusätzliche Ionisierung der Luft führt zu Änderungen der Ausbreitung von Funkwellen. Die Registrierung dieser Veränderungen mit einfachen Funkwellen- oder Radioempfängern kann zum Nachweis der solaren Flares genutzt werden. Bei den koronalen Massenauswürfen werden gewaltige Mengen hochenergetischer Teilchen in den Weltraum geschleudert, ggf. auch in Richtung Erde.
Erdmagnetfeld als „Schutzschild“
Doch zwischen der Erde und den sich auf sie zubewegenden Teilchen befindet sich ein „Schutzschild“ – das Erdmagnetfeld. Es fängt die geladenen Teilchen in der Magnetosphäre und in den sogenannten Strahlungsgürteln weitestgehend ein. Nach und nach treten sie dabei in Wechselwirkung mit den Atomen und Molekülen der Atmosphäre (hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff) und regen diese zum Leuchten an. Das in Folge dieser Anregung von den Neutralgasteilchen ausgesandte Licht wird auf der Erde als Polarlicht beobachtet. So schön diese Lichter auch sind, das Weltraumwetter kann durchaus auch unsere technische Infrastruktur schädigen. Bewegte elektrisch geladene Teilchen induzieren in den metallischen Bauteilen von Satelliten Spannungen. Die resultierenden Induktionsströme führen bei ausreichender Stärke zu Beschädigungen oder gar zur Zerstörung elektronischer Schaltkreise oder Baugruppen. Das kann theoretisch alle Raumflugkörper in Erdorbits betreffen, egal welche Aufgaben sie haben. Besonders hochenergetische Komponenten der kosmischen Strahlung können gelegentlich auch die Elektronik von Geräten und Anlagen auf der Erde, wie Computer oder Smartphones treffen.
Projekt „SOFIE“
SOFIE-Empfänger mit dazugehöriger Rahmenantenne im DLR_Project_Lab Neustrelitz. Bild: DLR (CC-BY 3.0)
Die Beobachtung des Weltraumwetters und die Entwicklung von Methoden zur Vorhersage seiner Wirkungen ist gegenwärtig ein wichtiges Forschungsgebiet. Um Jugendliche für diese spannende Thematik der aktuellen Weltraumforschung zu begeistern, wurde das Projekt SOFIE initiiert. Mit Hilfe des im DLR entwickelten SOFIE- Empfängers für Funkwellen und einer selbstgebauten Rahmenantenne registrieren die Schülerinnen und Schüler die Schwankungen der Signalstärke weit entfernter Längstwellensender. Nach Auswertung der Messdaten können Aussagen zum Auftreten und zur Stärke solarer Flares getroffen werden.
Bei Funkübertragungen über große Entfernungen werden die elektromagnetischen Wellen in der Atmosphäre gebrochen oder reflektiert. Die Schicht, die hierbei besonders wirksam ist heißt Ionosphäre. Sie wird durch die von der Sonne kommende Strahlung mehr oder minder stark ionisiert. Ändert sich die Aktivität der Sonne in Richtung Erde beim Auftreten solarer Flares, hat das immer eine Änderung der Ionosphäre auf der Tagesseite zur Folge. Der Solar-Flare-Effekt beeinflusst damit die Ausbreitung von Funkwellen auf der Erde und somit auch die am Empfänger gemessenen Signalstärken weit entfernter Längstwellensender. Der SOFIE-Empfänger misst den zeitlichen Verlauf der Signalstärke und überträgt die erfassten Daten zur Speicherung und Auswertung an einem Computer.
Das SOFIE-Projekt befindet sich gegenwärtig in der Aufbau- und Erprobungsphase. Interessierte Schulen und Einrichtungen sind aufgerufen, daran aktiv teilzunehmen. Das Projekt ist auch für eine internationale Beteiligung (z.B. deutsche Schulen im Ausland oder internationale Partnereinrichtungen von Schulen in Deutschland) offen.
Weitere Informationen zu wissenschaftlichen Hintergründen und Inhalten sowie zur Teilnahme sind auf der Homepage des Projektes www.projectlab-neustrelitz.de zu finden.