science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe SPACECAST werkt

Coronale lussen strekken zich uit vanaf het oppervlak van de zon langs ingewikkelde magnetische lijnen. NASA Goddard Space Flight Center

In maart 2011 wetenschappers uit het Verenigd Koninkrijk, Finland, Frankrijk, België en Spanje hebben de oprichting aangekondigd van een project genaamd SPACECAST. Het doel van het project is het detecteren, ruimteweer bestuderen en voorspellen. Maar deze wetenschappers zijn geen interstellaire meteorologen.

Het ruimteweer is niet hetzelfde als ons weer hier op aarde. Je krijgt geen ruimtevoorspelling van gedeeltelijk bewolkt met kans op een bui. In plaats daarvan, je weerbericht klinkt misschien als iets uit een sciencefictionfilm. In plaats van neerslag, je zou kijken naar gammastraling en magnetische fluctuaties.

Waarom in de eerste plaats investeren in een project als dit? Omdat het weer in de ruimte ons beïnvloedt. In het algemeen, ruimteweer verwijst naar de energie en deeltjes die onze zon uitstraalt. Zonder onze zon, het leven op onze planeet zou niet bestaan ​​zoals wij het kennen. Maar niet alles van de zon is gunstig voor het leven.

De atmosfeer van onze planeet beschermt ons tegen enkele van de meest schadelijke straling van de zon. Dat omvat röntgenstralen en gammastraling, beide zijn hoogenergetische vormen van straling die elektronen van atomen kunnen strippen, ze ioniseren. We zijn relatief veilig voor deze straling op de grond. Maar wat gebeurt er als we in een vliegtuig zitten? Of wat dacht je van astronauten, wie bevindt zich in een lage baan of zelfs verder van het aardoppervlak?

Naast het risico voor mensenlevens, ruimteweer kan schade toebrengen aan elektronica. Energie van de zon kan alles verpesten, van satellieten in een baan om de aarde tot elektriciteitsnetten hier op de grond. Laten we eens kijken hoe de zon de wereld donker kan maken.

Inhoud
  1. Satelliet Smackdown
  2. Machtsstrijd
  3. De mysteries van het ruimteweer
  4. Waarschuwingssystemen

Satelliet Smackdown

Communicatiesatellieten zoals deze zijn kwetsbaar voor ruimteweer. NASA Glenn Research Center

Er zijn ongeveer 900 actieve satellieten in een baan rond de aarde [bron:Union of Concerned Scientists]. Het lanceren van een satelliet is geen kleinigheid. Het kan miljoenen dollars kosten om een ​​satelliet te ontwikkelen, bouw het, en plaats het in een baan. Satellieten hebben af ​​en toe een boost nodig om in een baan om de aarde te blijven. Dat betekent dat ingenieurs rekening moeten houden met het gewicht van de brandstof bovenop de satelliet zelf.

Ruimteweer kan de levensduur van satellieten op veel manieren verkorten. Als de zon een coronale massa-ejectie (CME) uitzendt, de straling en deeltjes kunnen satellietoperaties verstoren. Ioniserende straling kan een satelliet verzwakken. De energie kan ook de atmosfeer opwarmen, waardoor het uitbreidt. Een satelliet in een lage baan zou atmosferische weerstand kunnen ervaren en het risico lopen te vallen zonder een boost. Aangezien er een eindige hoeveelheid brandstof aan boord van een satelliet is, elke ongeplande boost verkort de gebruiksduur.

De magnetische schokgolf die gepaard gaat met zonneactiviteit is ook een probleem. Tenzij een satelliet goed is afgeschermd, de magnetische fluctuaties kunnen elektriciteit opwekken in de satelliet zelf. De satelliet reageert mogelijk niet goed op commando's of geeft foutieve metingen aan de grondcontrole. Onder de deeltjes die tijdens een CME van de zon reizen, bevinden zich elektronen. Zelfs een enkel elektron kan problemen veroorzaken als het door de afscherming van een satelliet dringt.

Veel militaire satellieten hebben een dikke afscherming -- waarom zou je dat niet op alle satellieten toepassen? Het antwoord op deze vraag komt neer op risico versus beloning. Afscherming voegt gewicht toe aan een satelliet. Dat betekent dat de lancering van de satelliet duurder zal zijn en afhankelijk van de baan van de satelliet, het heeft mogelijk regelmatiger boosts nodig dan lichtere satellieten. Als de kosten om de satelliet in een baan om de aarde te brengen groter zijn dan het voordeel om hem daar te hebben, het heeft geen zin om te starten.

Wat het SPACECAST-project hoopt te doen, is het bestuderen van de effecten van zonneactiviteit op satellieten met als doel toekomstige satellieten te ontwerpen die bestand zijn tegen die effecten zonder escalerende kosten. Een deel van de missie van SPACECAST is het creëren van detectiesystemen voor vroegtijdige waarschuwing waarmee satellietoperators de baan van een satelliet kunnen aanpassen of niet-essentiële systemen kunnen uitschakelen om de effecten van een zonnestorm op het apparaat te minimaliseren. Met voldoende bericht, operators kunnen ook satellietcommunicatie omleiden naar andere satellieten die zich niet in het pad van een zonnestorm bevinden.

We hebben al gezien wat er met een satelliet kan gebeuren als gevolg van zonneactiviteit. Op 20 januari 1994, twee communicatiesatellieten, ANIK E1 en ANIK E2 genaamd, hadden interne storingen als gevolg van diepe diëlektrische oplading. Elektronen die met intense energie bewogen, drongen door de afscherming van de satellieten en veroorzaakten storingen. Het duurde acht uur om de controle over E1 terug te krijgen en zeven maanden om E2 weer in gebruik te nemen [bron:Horne].

De gevaren eindigen daar niet. Moeten we astronauten in een baan om de aarde hebben tijdens een zonnestorm, ook zij zouden kwetsbaar zijn voor zonneactiviteit. SPACECAST zal helpen bij het bepalen van het soort veiligheidsmaatregelen die we moeten overwegen om astronauten veilig te houden tijdens zonne-evenementen. Dat kan het creëren van veiligheidskamers in ruimtevaartuigen en ruimtestations met dikke afscherming zijn, evenals procedures die zijn ontworpen om niet-essentiële systemen tijdens een zonnestorm uit te schakelen.

De activiteit van de zon kan ook de elektronica hier op aarde beïnvloeden. Volgende, we zullen kijken hoe een zonnestorm een ​​elektriciteitsnet kan afsluiten.

Machtsstrijd

Er is een fundamentele relatie tussen magnetisme en elektriciteit. Als je ooit een elektromagneet hebt gebouwd, je hebt dit in actie gezien. Een eenvoudige elektromagneet bestaat uit een spoel van koperdraad die om een ​​kern is gewikkeld - ijzeren spijkers werken goed. Bevestig de uiteinden van de koperdraad aan een batterij. Elektronen zullen door de koperdraad stromen en een magnetisch veld opwekken. Je kunt de met koper omwikkelde nagel als magneet gebruiken.

Terwijl elektriciteit een magnetisch veld kan creëren, het omgekeerde is ook waar. Een magnetisch veld kan elektriciteit creëren - of induceren. Als je een magnetisch veld introduceert in een elektrische geleider, je laat elektronen door de geleider stromen alsof deze op een stroombron is aangesloten. Gebruik een sterk genoeg magnetisch veld en de elektriciteitsstroom zal aanzienlijk zijn.

De zon kan ongelooflijke magnetische velden produceren. Tijdens een zonnestorm, de magnetische kracht die door de zon wordt uitgestoten, is sterk genoeg om de vorm van de magnetosfeer van de aarde te veranderen. We noemen dit een geomagnetische storm en het kan grote schade aanrichten aan grote elektrische systemen. kleinere systemen, zoals uw smartphone of computer, de neiging om veilig te zijn. Normaal gesproken, zonnestormen hebben alleen invloed op grote geleiders. Maar die grote geleiders kunnen de werking van kleinere systemen verstoren.

Een piek in elektriciteit op een elektriciteitsnet is slecht nieuws. Het kan transformatoren beschadigen en zelfs elektriciteitskabels breken, omdat er meer elektriciteit door het systeem stroomt dan waarvoor het is ontworpen. In 1989, een geomagnetische storm veroorzaakte storingen in het elektriciteitsnet van Quebec. Er was negen uur lang een volledige stroomstoring voor ongeveer zes miljoen inwoners. De totale kosten voor het HydroQuebec-systeem waren $ 6 miljard [bron:Horne].

SPACECAST zal Europese landen helpen te voorspellen wanneer een geomagnetische storm zal plaatsvinden. In theorie, het geeft landen waardevolle tijd om de belasting van het elektriciteitsnet aan te passen om zich voor te bereiden op naderende magnetische fluctuaties. In de toekomst, Smart grid-benaderingen kunnen ingenieurs de kans geven om stroombelastingen op zo'n manier te verdelen dat het klanten niet stoort.

Radio Goo Goo

Magnetische fluctuaties in de ionosfeer kunnen interfereren met hoogfrequente radio-uitzendingen. Dat kunnen signalen zijn die worden verzonden door GPS-satellieten, die van invloed kunnen zijn op ons op aarde -- uw betrouwbare GPS-navigatiesysteem kan daardoor uw werkelijke locatie mogelijk niet bepalen.

De mysteries van het ruimteweer

Een foto van de zon vastgelegd op 2 april, 2001, door de Extreme ultraviolet Imaging Telescope (EIT) tijdens de grootste zonnevlam ooit gemeten. NASA Goddard Space Flight Center

Naast het beschermen van activa op en boven aarde, SPACECAST zal wetenschappelijk onderzoek stimuleren. Er is veel dat we niet weten over ruimteweer. De hiaten in onze kennis maken het moeilijk om ons voor te bereiden op zonne-evenementen.

Neem coronale massa-ejecties (CME's). Deze gebeurtenissen vinden plaats wanneer de zon enorme hoeveelheden massa uitstraalt. Ze vallen vaak samen met bijzonder grote zonnevlammen, maar we begrijpen de relatie tussen de twee niet helemaal. Een CME kan elektronen duwen, protonen en zware kernen van de zon met snelheden die de lichtsnelheid benaderen. elektronen, gestimuleerd door energie als gevolg van de intense hitte van de zon, reizen langs magnetische veldlijnen. Als de CME naar de aarde is gericht, die elektronen kunnen ons in een schokgolf raken ruim voordat de lus die door de CME wordt gegenereerd ons raakt.

Wetenschappers willen meer weten over CME's en waarom ze voorkomen. We hebben verder onderzoek nodig om precies te bepalen waar en hoe ze zich op de zon vormen. Het is ook belangrijk om te leren waarom deeltjes van verschillende soorten CME-gebeurtenissen met verschillende snelheden reizen. Alleen door deze details te kennen, kunnen we een effectief waarschuwingssysteem creëren.

Niet elke CME resulteert in een geomagnetische storm hier op aarde. Dat betekent dat we moeten leren welke factoren bijdragen aan de typen die ons beïnvloeden, zodat we onderscheid kunnen maken tussen een ongevaarlijke gebeurtenis en een gebeurtenis die hier thuis hoofdpijn kan veroorzaken.

Een ander gebied van wetenschappelijk onderzoek is het gedrag van de magnetosfeer van de aarde. Het is moeilijk om experimenten te maken die ons zinvolle gegevens opleveren - de meeste van onze kennis komt uit directe observatie. Als resultaat, er is veel dat we niet begrijpen over het magnetisch veld van de aarde, vooral wanneer het wordt beïnvloed door ruimteweer.

Dat is slechts het topje van de ijsberg voor zover wetenschappelijke studies gaan. Maar de wetenschappers die aan SPACECAST werken, hopen deze mysteries te onderzoeken en systemen te ontwerpen die ons nuttige informatie kunnen verschaffen in het geval van potentieel gevaarlijk ruimteweer. Zonder deze kennis, alles wat we kunnen verwachten zijn half-opgeleide gissingen.

Waarschuwingssystemen

Een ruimtewaarschuwingssysteem is van vitaal belang om astronauten in een baan om de aarde te beschermen. Dit is astronaut Ed Gibson op Skylab-4. NASA Marshall Space Flight Center

Om SPACECAST te laten werken, Europa moet investeren in sensoren, zowel in de ruimte als op de grond. Er zijn verschillende onafhankelijke sensorsystemen in landen in heel Europa. Maar deze systemen zijn afhankelijk van afzonderlijke financieringsbronnen om actief te blijven. Mocht het systeem in het ene land offline gaan wegens geldgebrek, Europa zou een aanzienlijk deel verliezen van wat een alomvattend waarschuwingssysteem zou kunnen zijn.

Om die reden, wetenschappers zoals Richard Horne hebben een project als SPACECAST aanbevolen om deze inspanningen te bundelen. Een uniforme aanpak betekent niet alleen betere communicatie en gegevensverzameling, maar ook zekerheid bij financiële bezuinigingen. Een groot deel van de aantrekkingskracht van SPACECAST is te danken aan de potentiële financiële impact. Om SPACECAST levensvatbaar te maken, wetenschappers moesten politici ervan overtuigen dat Europa's eigen waarschuwingssysteem landen miljarden dollars aan verliezen zou kunnen besparen.

Vroeger, Europa vertrouwde op programma's zoals NASA om te waarschuwen voor zonnestormen en geomagnetische activiteit. Maar die systemen richten zich niet op Europa. De wetenschappers die verantwoordelijk zijn voor SPACECAST voerden aan dat een Europees project betere bescherming zal bieden dan een algemeen programma. Tegelijkertijd, SPACECAST-wetenschappers zullen samenwerken met NASA om informatie te delen en kennis op te bouwen.

Naast energiebedrijven en organisaties die satellieten exploiteren, zijn er verschillende industrieën die baat kunnen hebben bij een waarschuwingssysteem. Bedrijven die naar gas en olie boren, gebruiken magnetische metingen om instrumenten te geleiden. Een geomagnetische storm kan instrumentatiefouten introduceren, wat kan leiden tot fouten die miljarden dollars kosten. En de luchtvaartindustrie kan vluchten opnieuw plannen op basis van zonneactiviteit -- op grotere hoogte, de atmosfeer van de aarde biedt minder bescherming tegen schadelijke zonnestraling.

SPACECAST zal een evolutionair project zijn. Voordat wetenschappers een volledig waarschuwingssysteem kunnen implementeren, ze zullen de effecten van stralingsgordels en zonne-activiteiten op satellieten moeten bestuderen. Ze zullen moeten voortbouwen op ons begrip van de activiteit van de zon en wanneer we de effecten van een zonnestorm zouden kunnen verwachten. Maar het is een stap om ervoor te zorgen dat zonneactiviteit het leven van Europeanen niet nadelig zal beïnvloeden.

Lees meer over zonne-evenementen en ruimte door de links op de volgende pagina te volgen.

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • Kan een extreem krachtige zonnevlam alle elektronica op aarde vernietigen?
  • Hoe de zon werkt
  • Hoe zonsverduisteringen werken
  • Hoe Aurora's werken
  • Hoe zonnevlekken werken
  • Hoe magneten werken
  • Hoe elektromagneten werken
  • 10 opmerkelijke exoplaneten
  • Waarom kunnen wetenschappers het weer niet nauwkeurig voorspellen?

Meer geweldige links

  • Britse Antarctische Survey

bronnen

  • 7 Samenwerking. "SPACECAST." (19 april, 2011) http://fp7-spacecast.eu/
  • Britse Antarctische Survey. "Persbericht - Nieuw ruimteonderzoek beëindigt jarenlang wetenschappelijk debat." 20 oktober 2010. (21 april, 2011) http://www.antarctica.ac.uk/press/press_releases/press_release.php?id=1312
  • Britse Antarctische Survey. "SPACECAST." 2007. (19 april, 2011) http://www.antarctica.ac.uk/bas_research/eu_framework/spacecast/index.php
  • Canfield, Richard, et al. "Coronal Mass Ejection Prediction Page." Montana Staatsuniversiteit. 25 mei 2007. (20 april, 2011) http://solar.physics.montana.edu/press/faq.html
  • Donati, A. et al. "Space Weather en Mission Control:een routekaart naar een operationeel ondersteuningssysteem voor meerdere missies." AIA. 2004. (20 april, 2011) http://www.aiaa.org/spaceops2004archive/downloads/papers/SPACE2004sp-template00140F.pdf
  • gelukkig, Mike. "Projectimplementatieplan en eindrapport." CLRC. Uitgave 1.0. 23 november 2001. (19 april, 2011) http://www.esa-spaceweather.net/spweather/esa_initiatives/spweatherstudies/RAL/wp600_report_v1.pdf
  • Hoorn, Richard B. "Voordelen van een ruimteweerprogramma." ESA Ruimteweer Programma Studie, Alcatel Consortium. februari 2001 (19 april, 2011) http://www.esa-spaceweather.net/spweather/esa_initiatives/spweatherstudies/ALC/wp1100_Benefits_v3.1.pdf
  • National Earth Science Teachers Association. "Blackout - Massale stroomnetstoring." Windows naar het universum. 2010. (21 april, 2011) http://www.windows2universe.org/spaceweather/blackout.html
  • NOAA. "NOAA Ruimteweerschalen." 1 maart, 2005. (20 april, 2011) http://www.swpc.noaa.gov/NOAAscales/
  • Bladzijde, Lewis. "Europa krijgt ruimtestraling-stormwaarschuwingsdienst." Het register. 29 maart 2011. (18 april, 2011) http://www.theregister.co.uk/2011/03/29/spacecast_sun_storm_warning/print.html
  • Rodgers, David J. et al. "Voordelen van een Europees ruimteweerprogramma." DERA. Probleem 2.1. 19 december 2000, (20 april, 2011) http://www.esa-spaceweather.net/spweather/esa_initiatives/spweatherstudies/RAL/TR110v2_1.pdf-a.pdf
  • Unie van betrokken wetenschappers. "UCS-satellietdatabase." 31 januari 2011. (21 april 2011) http://www.ucsusa.org/nuclear_weapons_and_global_security/space_weapons/technical_issues/ucs-satellite-database.html
  • van Rosenvinge, Tycho. "Coronale massa-ejecties." Kosmicopie. 18 april 2011. (20 april, 2011) http://helios.gsfc.nasa.gov/cme.html