Hochenergetische „relativistische“ Elektronen – sogenannte „Killer“-Elektronen – sind eine der Hauptursachen für Strahlungsschäden an Satelliten, weshalb das Verständnis ihrer Aktivitätsmuster von entscheidender Bedeutung ist. Ausbrüche geladener Teilchen und Magnetfelder der Sonne können das Erdmagnetfeld zerstören und zu geomagnetischen Stürmen führen. Während dieser Ereignisse kann die Zahl der Killerelektronen im äußeren Strahlungsgürtel um Größenordnungen ansteigen und zu einer erheblichen Gefahr für das Weltraumwetter werden.
Dr. Nigel Meredith von BAS leitete ein internationales Team, das 20 Jahre lang Daten eines US-amerikanischen GPS-Satelliten analysierte, um die Ereignisraten von 1 zu 10, 1 von 50 und 1 von 100 Jahren zu bestimmen. Ein 1-in-100-Jahres-Ereignis ist ein Ereignis mit einer Größe, die durchschnittlich alle 100 Jahre einmal erreicht oder überschritten wird. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Weltraumwetter.
Satellitenbetreiber, Hersteller, Versicherer und Regierungen müssen sich auf die von diesen Elektronen ausgehenden Risiken vorbereiten und diese abmildern. Die Gesellschaft ist für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Kommunikation, Navigation, Erdbeobachtung und Verteidigung, zunehmend auf Satelliten angewiesen.
Im April 2022 befanden sich 5.465 betriebsbereite Satelliten in der Erdumlaufbahn, und die meisten sind zumindest während eines Teils ihrer Umlaufbahn energiereichen Elektronen ausgesetzt. Im Jahr 2021 erwirtschaftete die gesamte globale Raumfahrtwirtschaft einen Umsatz von 386 Milliarden US-Dollar, ein Anstieg von vier Prozent im Vergleich zum Vorjahr.
Dr. Nigel Meredith, Weltraumwetterwissenschaftler und Hauptautor der Studie, sagt: „Die in dieser Studie gemeldeten Ereignisraten von 1 zu 100 Jahren sind wichtig für Industrie und Regierung. Sie dienen als Benchmarks, mit denen andere extreme Weltraumwetterereignisse verglichen werden können.“ die möglichen Auswirkungen eines Extremereignisses einschätzen.“
Diese Erkenntnisse sind für die Satellitenindustrie von entscheidender Bedeutung, da Ingenieure und Betreiber realistische Schätzungen der größten Elektronenflüsse in der GPS-Umlaufbahn benötigen, um sich auf die Auswirkungen dieser extremen Ereignisse vorzubereiten und die Widerstandsfähigkeit zukünftiger Satelliten zu verbessern. Die Ergebnisse sind für Satellitenversicherer von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass Satellitenbetreiber alles tun, um Risiken zu reduzieren und realistische Katastrophenszenarien zu bewerten
Der Unterschied zwischen dem 1-in-10-Jahres-Ereignis und dem 1-in-100-Jahre-Ereignis variiert je nach Energie der Elektronen und der Entfernung von der Erde. Diese Unterschiede sind bei den höchsten Energien am weitesten vom Planeten entfernt am größten und variieren zwischen dem Faktor 3 und 10 für einige der höchsten Elektronenenergien über 35.000 km von der Erdoberfläche entfernt. Solche erheblichen Anstiege könnten ein erhebliches zusätzliches Risiko für die in dieser Region betriebenen Satelliten darstellen.
Wie das Wetter auf unserem Planeten kann auch das Weltraumwetter über Minuten, Tage, Jahreszeiten und den 11-jährigen Sonnenzyklus stark variieren. Die Forscher fanden heraus, dass die meisten dieser Killerelektronen-Ereignisse während der Abklingphasen des Sonnenzyklus auftraten – sie wurden in dem von ihnen untersuchten Zeitraum von 20 Jahren zweimal beobachtet –, das größte Ereignis jedoch anderswo stattfand, was zeigt, dass extreme Ereignisse jederzeit auftreten können.
Professor Richard Horne, FRS, von BAS und Mitautor der Studie, sagt: „Der Weltraumsektor ist Teil unserer kritischen nationalen Infrastruktur. Diese Forschung wird uns helfen, die Widerstandsfähigkeit von Satelliten gegenüber einem schweren Weltraumwetterereignis zu bewerten.“
Schweres Weltraumwetter wurde 2011 in das nationale Risikoregister für zivile Notfälle des Vereinigten Königreichs aufgenommen. Die Auswirkungen des Weltraumwetters auf Satelliten können von vorübergehenden Betriebsunterbrechungen bis hin zum vollständigen Verlust der Fähigkeiten reichen. Im Jahr 2003 kam es bei einem schweren Sturm zu Anomalien bei 47 Satelliten, von denen über 10 für mehr als einen Tag außer Betrieb waren und einer einen Totalausfall zur Folge hatte.
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Nigel P. Meredith et al, Extreme Relativistic Electron Fluxes in GPS Orbit: Analysis of NS41 BDD-IIR Data, Weltraumwetter (2023). DOI: 10.1029/2023SW003436