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1859 begann die Wissenschaft der Sonnenphysik wirklich mit dem größten Ausbruch in der Geschichte der Menschheit: dem Carrington-Ereignis. Zuvor beobachteten viele Menschen die Sonne: Sie zählten und verfolgten Sonnenflecken, beobachteten die unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeit der Sonne, stellten eine mögliche Beziehung zwischen der Sonnenaktivität und dem Erdmagnetfeld her und beobachteten die Aurora. Als die Astronomen Richard Carrington und Richard Hodgson am 1. September 1859 eine riesige "weiße Fackel" in der Sonne bemerkten, wurde klar, dass Erde und Sonne so stark miteinander verbunden waren, dass wir uns das gar nicht vorstellen konnten. Nur 17 Stunden später wurde die Erde von dem größten jemals aufgezeichneten geomagnetischen Sturm getroffen, und weltweite Berichte über seine Folgen waren legendär. In dem Wissen, dass diese Ereignisse regelmäßig stattfinden,Sind wir bereit für das Unvermeidliche? Folgendes möchte Erich Ratkamp wissen, indem er folgende Frage stellt:
„Koronale Massenauswürfe, vergleichbar mit dem Carrington-Ereignis von 1859, könnten das gesamte US-amerikanische Stromnetz zerstören ... Können wir solche Emissionen erkennen und mindestens 24 Stunden im Voraus Warnungen darüber ausgeben? Wird es genug Zeit geben, um ein Ereignis auf Carrington-Niveau zu überleben? Wenn so ein Ereignis morgen passiert, können wir damit umgehen? "
Wenn es um drohende Naturkatastrophen geht, können wir uns am besten darauf vorbereiten. Das hat die Sonne für uns vorbereitet.
Fragment des "ersten Lichts" des Inoue-Solarteleskops, das der National Science Foundation gehört. Es zeigt texanische Wärmezellen auf der Sonnenoberfläche mit einer höheren Auflösung als je zuvor. Zum ersten Mal können Objekte zwischen Zellen mit einer Auflösung von nur 30 km gesehen werden, was Aufschluss über die Prozesse in der Sonne gibt.
Die Sonne ist normalerweise ziemlich ruhig und produziert dieselbe konstante Energiemenge mit einer Genauigkeit von 99,9%. Es dreht sich um seine Achse mit einem Zeitraum von 25 Tagen am Äquator und 33 Tagen an den Polen und strahlt auch einen konstanten Partikelstrom aus: den Sonnenwind. Sein zentraler Kern erreicht eine maximale Temperatur von ungefähr 15 Millionen K, aber der Rand seiner Photosphäre ist relativ kalt - ungefähr 6000 K, und hier kommt die Energie her, die wir erhalten.
Außerdem wird ein dünnes und sehr heißes Plasma von der Photosphäre getrennt: die Sonnenkorona, deren Temperatur Hunderttausende von Kelvin beträgt, und deren Verbindung durch das chaotische unregelmäßige Magnetfeld der Sonne hergestellt wird. Manchmal erscheinen jedoch Sonnenflecken auf der Sonne, die relativ kühle Regionen in ihrer Photosphäre sind. Es gibt magnetische Verbindungen zwischen der Sonne, der Korona und sogar anderen Körpern im Sonnensystem wie der Erde. Sonneneruptionen, koronale Massenauswürfe und andere magnetische Wiederverbindungsereignisse, die mit verschiedenen Prozessen verbunden sind, können Ströme von Energieteilchen in bestimmte Richtungen senden.
Eine Sonneneruption, die einen Ausstoß von Materie in das Sonnensystem auslöst, kann Ereignisse wie einen Ausstoß koronaler Masse auslösen. Obwohl es normalerweise ungefähr 3 Tage dauert, bis die Partikel eintreffen, können die stärksten Emissionen die Erde in weniger als 24 Stunden erreichen und unsere Elektronik und elektrische Infrastruktur zerstören.
Unter normalen Bedingungen können wir über diese Flüsse solcher Partikel Folgendes sagen:
- Sie sind relativ langsam und haben wenig Strom. Es dauert ungefähr 3 Tage, um die Entfernung von der Erde zur Sonne zu überwinden
- Sie neigen dazu, um die Erde zu fliegen, weil sie frei im Weltraum verstreut sind und ihre Chancen, direkt in die Erde zu gelangen, gering sind.
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Es ist wichtig zu beachten, dass die Partikel selbst keine Bedrohung für biologische Organismen auf der Erdoberfläche darstellen (wie wir selbst). Dies bedeutet jedoch nicht, dass wir gegen schädliche Folgen dieser Prozesse immun sind.
Wenn alles schief geht, kann das Ergebnis schlimm sein. Wenn eine Sonneneruption zu einem koronalen Massenausstoß führt, wenn dieser Ausstoß von hoher Energie ist und wenn die Partikel direkt zur Erde strömen, und (noch etwas) wenn das Magnetfeld des ausgestoßenen Materials und das Magnetfeld der Erde Haben Sie entgegengesetzte Polaritäten, dann wird unserem Planeten maximaler Schaden zugefügt: Infrastruktur, Elektronik und mehr werden betroffen sein. Dies geschah mit ziemlicher Sicherheit vor 162 Jahren, als das berüchtigte Carrington-Ereignis stattfand.
Solare koronale Bögen, wie sie 2005 vom Satelliten Transition Region und Coronal Explorer (TRACE) der NASA beobachtet wurden, folgen der Flugbahn des Magnetfelds der Sonne. Wenn diese Schleifen auf die richtige Weise „brechen“, können sie zu koronalen Massenauswürfen führen, die möglicherweise die Erde treffen könnten. Ein großer Auswurf oder eine Sonneneruption könnten eine neue Art von Naturkatastrophe auslösen: Armageddon durch Fackeln.
Am 1. September 1859 gegen Mittag verfolgte Richard Carrington einen großen unregelmäßigen Fleck auf der Oberfläche der Sonne, als plötzlich ein heller Blitz darüber erschien. Carrington beschrieb den Blitz als sehr hell und stellte fest, dass er etwa 5 Minuten lang rechts vom Punkt driftete. Dann, so plötzlich wie es erschienen war, verschwand der Blitz vollständig.
Ungefähr 18 Stunden später (3-4 mal schneller als eine normale Sonneneruption) trat der größte geomagnetische Sturm in der Geschichte der Menschheit auf. Die amerikanischen Bergleute wachten auf und dachten, es sei Morgengrauen. An Orten, an denen es Nacht war, waren die Auroren so hell, dass man in ihrem Licht eine Zeitung lesen konnte. Ein "grüner Vorhang" von Auroren war in vielen äquatorialen Breiten zu sehen: Sie wurden von Kuba, Hawaii, Mexiko und Kolumbien gemeldet. Und am schlimmsten war, dass unsere frühen elektrischen Systeme (wie der Telegraph) induzierten Strömen ausgesetzt waren, die Schäden, Brände und wilde Klicks von Geräten verursachten, selbst wenn die Systeme selbst vollständig heruntergefahren waren.
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Die Physik dahinter ist einfach und entmutigend, wenn man darüber nachdenkt. Geladene Teilchen, die von der Sonne emittiert werden und auf die Erdatmosphäre treffen, sind an sich nicht schädlich, da die Atmosphäre sie perfekt verlangsamen kann. Wenn sich jedoch eine große Anzahl solcher Partikel mit hoher Geschwindigkeit bewegt, erzeugen sie ihre eigenen Magnetfelder - wie dies bei jedem elektrischen Strom der Fall ist. Wenn diese Magnetfelder stark genug sind, können sie das lokale Magnetfeld an der Erdoberfläche erheblich verändern. Wenn Sie die Stärke und / oder Richtung des Magnetfelds ändern, das durch die Schleife oder Spule fließt, führt diese Änderung des Magnetfelds zu einem elektrischen Strom.
Lassen Sie mich das noch einmal wiederholen: Wenn sich das Magnetfeld in einer Schleife oder Spule ändert, erscheint ein induzierter elektrischer Strom. Die Menschheit wusste lange vor dem Carrington-Ereignis von diesem Gesetz: Faraday entdeckte es bereits 1831 . Aber die Welt hat sich seit den Tagen von Carrington stark verändert, da Stromnetze, Kraftwerke und Umspannwerke, die Energietransportinfrastruktur und sogar die Elektronik für Verbraucher, Gewerbe und Industrie voller Schleifen und Spulen sind. Die Kraft der induzierten Ströme wäre buchstäblich astronomisch, wenn wir heute ein Ereignis wie das von Carrington erleben würden.
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Die Schätzungen potenzieller Schäden (vorausgesetzt, es werden keine Maßnahmen zur Schadensminderung ergriffen) sind weltweit auf 11-stellige Zahlen gestiegen. Die Stromnetze der meisten Länder werden vollständig zerstört. Der beste Weg, um die Auswirkungen eines solchen Blitzes abzuschwächen, besteht darin, die Erdung so zu verstärken, dass die großen Ströme, die in das Stromnetz fließen würden, stattdessen direkt zur Erde fließen. Jedes Mal, wenn Energieunternehmen dies versuchen, wird die zur Erdung verwendete leitfähige Substanz (wie Kupfer) aufgrund ihres Materialwerts gestohlen.
Infolgedessen haben wir ungeerdete Kraftwerke und Umspannwerke, die großen induzierten Strömen ausgesetzt sind, die normalerweise zu Bränden führen und die Infrastruktur erheblich beschädigen und zerstören. Wir sprechen nicht nur von einer Katastrophe von mehreren Billionen Dollar (geschätzter Schaden von 2,6 Billionen US-Dollar allein für die Vereinigten Staaten ), sondern auch davon, dass eine große Menge Strom für lange Zeiträume (möglicherweise Jahre) ohne Strom bleibt. In Anbetracht dessen, was kürzlich in Texas passiert ist(Wenn die Gefriertemperaturen in vielen Gebieten keinen Strom mehr haben), besteht die Gefahr extrem hoher Verluste - viele Menschen benötigen Strom, um am Leben zu bleiben.
Eine Sonneneruption der X-Klasse auf der Sonnenoberfläche im Jahr 2012: ein Ereignis, das in Bezug auf Helligkeit und Gesamtenergieerzeugung noch viel, viel schwächer war als das Carrington-Ereignis von 1859, das jedoch in Begleitung einer koronalen Masse immer noch einen katastrophalen geomagnetischen Sturm verursachen könnte Auswurf, dessen Magnetfeld die richtige (oder je nach Sichtweise falsche) Polarität hatte.
Das Carrington-Ereignis war kein massiver Auswurf, der alle paar Millionen Jahre stattfindet. Viele Sonneneruptionen trafen die Erde, von denen einige lokale Schäden an Stromnetzen verursachten. Eine Reihe von Sonnenstürmen im Jahr 1972 verursachte weit verbreitete Störungen in Elektro- und Telekommunikationsnetzen, Fehlfunktionen von Satelliten und sogar eine versehentliche Explosion von Marineminen in Vietnam. Ein geomagnetischer Sturm im Jahr 1989 führte zu einer vollständigen Abschaltung des Stromübertragungssystems von Quebec. Und ein Sonnensturm von 2005 schaltete das GPS-Netzwerk aus. Diese Ereignisse mögen verheerend gewesen sein, aber sie waren nur Warnschüsse im Vergleich zu dem, was die Natur für uns bereithält.
Im Jahr 2012 strahlte die Sonne schließlich (zum ersten Mal seit der Entwicklung von Instrumenten, die sie ausreichend überwachen können) eine Sonneneruption aus, die wahrscheinlich genauso stark war wie die, die das Carrington-Ereignis von 1859 verursachte. Es ist am 23. Juli passiert und das hat uns gerettet. Der Ausbruch ereignete sich in derselben Ebene wie die Erdumlaufbahn, aber wir haben uns neun Tage lang vermisst. Wie beim Carrington-Ereignis haben die Partikel in nur 17 Stunden die Entfernung von der Sonne zur Erde zurückgelegt. Wenn die Erde auf dem Weg wäre, könnte der globale Schaden die 10-Billionen-Dollar-Marke überschreiten, ganz zu schweigen von dem unermesslichen Verlust an Leben.
Sonnenlicht, das durch die offene Kuppel des DKIST-Teleskops (Daniel K. Inoue Solar Telescope) scheint, trifft auf den Hauptspiegel und lässt Photonen ohne nützliche Informationen von ihm abprallen, während nützliche Informationen an Instrumente gesendet werden, die an anderer Stelle im Teleskop montiert sind.
Die meisten von uns behandeln Sonnenstürme jedoch nicht wie Hurrikane, Tornados, Erdbeben, Tsunamis oder Vulkanausbrüche. In der heutigen elektronikabhängigen Welt müssen wir diese Phänomene im Hinblick auf die Katastrophenvorsorge berücksichtigen. Mit der Ankunft (erst letztes Jahr) des Solarteleskops Daniel K. Inoue sind wir endlich bereit, alarmiert zu werden, wenn uns ein geomagnetischer Sturm von katastrophalen Ausmaßen bedroht.
Dieses Solarteleskop funktioniert wie ein Magnetometer, das die Leistung der Sonne misst. Es ist in der Lage, das Magnetfeld der Sonne und der Sonnenkorona zu messen, wodurch wir feststellen können, ob ein auf die Erde gerichteter koronaler Massenauswurf ein Magnetfeld aufweist, das dem Feld unseres Planeten im Moment entgegengesetzt ist. Wenn wir einen Ausreißer entdecken, können wir umfangreiche Maßnahmen zur Schadensminderung ergreifen, darunter:
- Abschaltung ihrer Netze durch Energieversorger - um alles richtig und verantwortungsbewusst zu machen, dauert eine schrittweise Abschaltung etwa 24 Stunden
- Abschaltung und (wenn möglich) Erdung von Stationen und Umspannwerken, damit keine starken induzierten Ströme in Wohnhäuser, Unternehmen und Industriegebäude eindringen und keine Brände verursachen
- Veröffentlichung von Richtlinien für Bewohner von Häusern, in denen erläutert wird, wie mit solchen Situationen sicher umgegangen werden kann: Schalten Sie alle Haushaltsgeräte und Elektronikgeräte aus, trennen Sie bestimmte Kabel und Systeme usw.
Wenn sich ein koronaler Massenauswurf aus unserer Sicht relativ gleichmäßig in alle Richtungen auszubreiten scheint (dieses Phänomen wird auch als ringförmiger Massenauswurf bezeichnet), ist dies ein Zeichen dafür, dass er wahrscheinlich direkt auf unseren Planeten zusteuert. Ein zur Seite gerichteter Blitz fliegt eher an unserem Planeten vorbei, worauf wir alle hoffen sollten.
Die schnellste Sonneneruption, die jemals von der Sonne zur Erde gereist ist, hat uns in nur 14,6 Stunden erreicht. Idealerweise möchten wir, dass unsere Reaktionszeiten Spielraum lassen. Die größte Gefahr besteht jedoch darin, völlig unvorbereitet zu sein, und wir sind dem sehr nahe. Wir verfügen über die Grundlagen der Infrastruktur, die zur Erkennung und Messung dieser Ereignisse erforderlich sind - nicht nur das Inoue-Teleskop, sondern auch die Parker-Sonnensonde sowie unsere Satelliten zur Überwachung der Sonne am L1-Lagrange-Punkt im Weltraum. Dies ist jedoch nicht der Fall genug ...
Im schlimmsten Fall tritt der Ausbruch während eines Kälteeinbruchs auf, der die nördliche Hemisphäre im Winter betrifft. Dies wird in den meisten Industrieländern den Strom abschalten und Milliarden von Menschen ohne Wärme und Strom zurücklassen. Die Lagerung und Verteilung von Nahrungsmitteln und Wasser kann gestört werden, so dass Milliarden von Menschen alleine überleben können. Unsere Satellitensysteme sind möglicherweise auch deaktiviert . Jedes System, das auf computergestützten Kollisionsvermeidungsmanövern beruht, kann eine Kollisionskettenreaktion mit Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn auslösen. Wenn wir uns nicht vorbereiten, könnte uns ein Ereignis vor Jahrzehnten als Zivilisation zurückwerfen.
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Was sollen wir also tun, um uns fertig zu machen? Zunächst müssen Sie eine Früherkennung mithilfe von Boden- und Weltraumbeobachtungen der Sonne und von Partikeln durchführen, die sich von der Sonne zur Erde bewegen. Idealerweise erfordert dies ein Netzwerk heliophysikalischer Observatorien auf der Erde am L1-Lagrange-Punkt im Weltraum und in unmittelbarer Nähe zur Sonne. Wir müssen die Stromnetze auf vollständige Stromausfälle und Ausfälle vorbereiten, deren Fertigstellung weniger als ~ 14 Stunden dauert, und die Erdung an Stationen und Umspannwerken verstärken. Wir müssen obligatorische „sichere“ Umlaufbahnen für Satelliten erstellen, damit Elektronikausfälle nicht katastrophal sind, und wir müssen Notfallpläne für die Bürger entwickeln, falls ein Blitz auf Carrington-Ebene in Richtung Erde geht.
Tatsächlich rückt die Bedrohung näher, ihr Ausbruch ist nur eine Frage der Zeit. Wenn wir nichts unternehmen, um uns auf den massiven Ausbruch vorzubereiten, sind Billionen Dollar an Infrastrukturschäden und möglicherweise eine große Anzahl von Todesfällen zu erwarten. Aber wenn wir unser Stromnetz, unser Verteilungssystem und die Menschheit auf das Unvermeidliche vorbereiten können, können wir sogar ein Ereignis auf Carrington-Ebene effektiv überleben. Wir müssen uns nur anstrengen und in die Prävention investieren. Andernfalls zahlen wir hart - für Jahre oder Jahrzehnte.
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