Verbesserte Vorwarnzeit für geomagnetische Stürme

Das Ziel dieses Projekts ist die Vorwarnzeit für die Effekte von Sonnenstürmen bei der Erde zu verbessern. Denken sie an die Meteorologie doch unsere Forschungen drehen sich nicht um das Wetter das wir tagtäglich erfahren, sondern wir machen Vorhersagen für den Sonnenwind, der um das Erdmagnetfeld fließt. Sonnenstürme sind Wolken aus Plasma und Magnetfeldern die aus der Sonnenatmosphäre mit Geschwindigkeiten von Millionen Kilometern pro Stunde ausgeworfen werden. Falls so ein solarer Super-Sturm die Erde trifft, was schätzungsweise alle 100 Jahre passiert, könnten Infrastrukturen wie Stromnetze und Satelliten ausfallen, und Flug-Personal und Astronauten wären erhöhter Strahlung ausgesetzt. Sonnenstürme können ein Teil ihrer Energie auf das Erdmagnetfeld übertragen, und ein geomagnetischer Sturm entsteht. Dies kann wunderschöne Nordlichter hervorrufen, aber auch Technologien beeinträchtigen, die für unser tägliches Leben von hoher Wichtigkeit sind, wie die Stromversorgung und GPS. Um diese potentiell destruktiven Effekte besser zu vermeiden ist eine Vorhersage des Sonnenwinds am Sonne-Erde L1 Punkt von größter Wichtigkeit, und kann als Schlüsseltechnologie in diesem Feld angesehen werden, ähnlich wie wiederverwertbare Raketen oder Gen-Scheren in anderen Wissensgebieten. In diesem Projekt nutzen wir die Verfügbarkeit von über 40 Jahren an Sonnenwind- Daten, womit wir die Ergebnisse unserer eigenen Simulationen von Sonnenstürmen mit maschinellem Lernen verknüpfen können. Damit können wir die Simulationen automatisch auswählen welche die Realität am besten beschreiben. Dies wird eine Vorhersage der Entwicklung eines geomagnetischen Sturms mit einer Vorwarnzeit von bis zu 2 Tagen ermöglichen. Wir werden diese Ergebnisse mit einem bestehendenModell für Nordlichter verbinden, welches der Öffentlichkeit ermöglichen wird besser vorauszusehen wann und wo die Aurora zu sehen sein wird. Weiters werden wir die Sonnenwind-Vorhersagen mit einem Modell der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik für geomagnetisch induzierte Ströme verknüpfen, welches wiederum helfen könnte Stromausfälle zu vermeiden. Die Vorhersagen werden zuerst mit bereits bestehenden Daten entwickelt und getestet, und danach in Echtzeit angewendet. Weiters werden wir mit bereits bestehenden Daten mögliche, zukünftige interplanetary Kleinsatelliten (CubeSats) auf ihre Tauglichkeit prüfen unsere Vorhersagen weiter zu verbessern. Eine Unterstützung dieses Projekts würde daher Österreichs Rolle einer international führenden Nation in der Vorhersage und Modellierung des Weltraumwetters konsolidieren und weiter ausbauen.

In diesem Projekt haben wir auf innovative Weise Beobachtungen aktueller Raumsonden genutzt, um die Vorlaufzeit für die Vorhersage geomagnetischer Stürme aufgrund der Auswirkungen von Sonnenstürmen auf die Erde zu verbessern. Die Vorhersage des Sonnenwindes, der mit der Magnetosphäre der Erde in Wechselwirkung tritt, ist derzeit stark eingeschränkt, da die Vorwarnzeit nur im Bereich von einer Stunde liegt. Diese Situation sollte eindeutig verbessert werden um die zeitliche Entwicklung geomagnetischer Stürme vorhersagen zu können. Diese Stürme haben zahlreiche technologische Auswirkungen, von geomagnetisch induzierten Strömen in Stromleitungen am Boden, über energiereiche Teilchen, die Satelliten stören, bis hin zu verstärkter Strahlung für Flugpersonal. Während geomagnetischer Stürme verlagert sich das Polarlichtoval in niedrigere Breitengrade, was für den Polarlichttourismus und die Öffentlichkeitsarbeit zum Thema Weltraumwetter von großer Bedeutung ist. Das Hauptergebnis dieses Forschungsprojekts besteht darin, dass wir eine auf maschinellem Lernen basierende Methode veröffentlicht haben, die auf den Daten von etwa 350 Sonnenstürmen trainiert und getestet wurde. Diese Messungen wurden von Raumsonden wie Wind und STEREO erzeugt, als diese in der Nähe des Erdabstands zur Sonne operierten. Indem wir Messungen der ersten Stunden der Beobachtungen des Magnetfelds, der Geschwindigkeit und der Dichte der Sonnenstürme in verschiedene Algorithmen des maschinellen Lernens einspeisten, stellten wir fest, dass unser Vorhersageinstrument die Stärke des Magnetfeld und seine nach Süden gerichtete Komponente recht gut vorhersagen kann. Obwohl unser Tool das Problem der Vorhersage von Sonnenstürmen nicht vollständig löst, ist es vielversprechend, um die Auswirkungen von Sonnenstürmen besser vorhersagen zu können. In Zusammenarbeit mit dem österreichischen Wetterdienst, vormals ZAMG, jetzt GeoSphere Austria, haben wir weitere Fortschritte bei der Modellierung des umgebenden Sonnenwindes und der Simulation von geomagnetisch induzierten Strömungen erzielt. Die Projektergebnisse bildeten die Grundlage für eine gründlichere Untersuchung der Vorhersage des südlichen Magnetfelds bei Sonnenstürmen in einem großen Forschungsprojekt, das anschließend vom Europäischen Forschungsrat finanziert wurde. Die in diesem Projekt entwickelten Modelle werden nun als Produkte des neu gegründeten österreichischen Weltraumwetterdienstes, dem Austrian Space Weather Office, an der GeoSphere Austria eingesetzt.