Magnetic Configuration of Coronal Holes

Coronal holes are large-scale structures in the Suns atmosphere and are believed to be the source regions of fast flowing solar wind streams. Due to their lower density and temperature in contrast to the surrounding quiet sun, coronal holes can be observed as dark regions in extreme UV and X-ray emission. In addition, coronal holes feature an open magnetic field topology. These are magnetic field lines that do not close in the vicinity of the Sun, but far out in interplanetary space. Along those fieldlines, solar plasma is accelerated and ejected as solar wind. The resulting fast flowing solar winds are the major cause of minor to moderate geomagnetic disturbances near Earth. At the Sun, these open magnetic fields are rooted in so-called magnetic elements. These are small unipolar structures with the same polarity of the containing coronal hole. From these footpoints, the magnetic field can expand upwards to eventually fill most of the space in the higher layers of the solar atmosphere. In the lower atmosphere, near the solar photosphere, closed fields (loops) are present in addition to the open fields. The interplay and abundance of closed and open fields defines the vertical magnetic structure of coronal holes near the Sun. The true vertical magnetic structure in coronal hole is not yet fully understood. By using modern potential field modeling techniques, we model the 3D atmospheric magnetic structure of coronal holes from 2D magnetic field observations. For this we, use current magnetic field observations taken by the Solar Dynamics Observatory and synthetically generated magnetic field maps. This enables us to analyze the vertical magnetic field structure of solar coronal holes. The goal is to understand the defining properties and parameters, derive underlying physical principles and gain insights on the solar wind outflow. The model results will be compared with observations from higher layers of the atmosphere. This will be done to validate the model and to explain the observed structures in terms of magnetic field. In addition, we will use observations taken by the new Solar Orbiter spacecraft, that will provide groundbreaking observations at high latitudes. These observations will be used to analyze the magnetic structure of polar coronal holes and compare them to equatorial coronal holes.

Die magnetische Architektur von Koronalen Löchern entschlüsset Unsere moderne Gesellschaft ist untrennbar mit der Aktivität der Sonne verbunden. Neben Licht und Wärme sendet die Sonne einen stetigen Strom geladener Teilchen aus - den Sonnenwind. Diesen zu verstehen, ist entscheidend für den Schutz von Satelliten, Stromnetzen und Kommunikationssystemen. Im Zentrum stehen dabei Koronale Löcher: dunkle Regionen in der Sonnenatmosphäre mit "offenen" Magnetfeldlinien, die wie Düsen wirken und schnellen Sonnenwind direkt Richtung Erde lenken. Das Projekt "Magnetic Configuration of Coronal Holes", geleitet von Dr. Stephan G. Heinemann im Rahmen eines FWF-Schrödinger-Stipendiums, markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Modellierung dieser Phänomene. Durch die Kombination von Potenzialfeld-Modellierung mit modernsten Beobachtungsdaten gelang es dem Team, die komplexe Geometrie der magnetischen Struktur, die sogenannte "magnetische Topologie", der Sonnenkorona zu kartografieren. Datenlücken schließen mit künstlichen Karten des Sonnenmagnetfelds Eine zentrale Herausforderung der Sonnenphysik ist die "Beobachtungslücke": Wir können nie die gesamte Sonnenoberfläche gleichzeitig sehen. Um dies zu lösen, leistete Dr. Heinemann Pionierarbeit bei der Verwendung künstlicher Magnetfeldkarten. Mithilfe von Oberflächentransportmodellen, sogennante "Surface Flux Transport Models", erstellte das Projekt synthetische Karten des gesamten solaren Magnetfelds. In seinen Arbeiten als Erstautor zeigte Dr. Heinemann, dass diese künstlichen Datensätze entscheidend sind, um Unsicherheiten in Sonnenwind-Vorhersagen zu quantifizieren. Durch die Simulation des Magnetfelds der gesamten Sonne - inklusive der von der Erde abgewandten Seite - identifizierte die Forschung exakt, wie unvollständige Daten zu Fehlern in physikalischen Modellen führen. Dies schafft die Basis für robustere Simulationen, die nicht mehr rein auf direkten Beobachtungen basieren. Magnetische Topologie und Loop-Statistiken Der wissenschaftliche Kern des Projekts liegt in der detaillierten Analyse der magnetischen Topologie Koronaler Löcher. Dr. Heinemanns Forschung ging über die bloße Identifizierung dieser Regionen hinaus und untersuchte deren interne "Verkabelung": Evolutionäre Dynamik: Untersuchungen zur Stabilität und den charakteristischen Kippbewegungen ("Tilting") von Koronalen Löchern in niedrigen Breiten. Das Rätsel des offenen magnetischen Flusses: Eine physikalische Erklärung für den plötzlichen Anstieg des "offenen" magnetischen Flusses während der Polumkehr der Sonne. Loop-Statistiken: Eine systematische Klassifizierung magnetischer Schleifen (Loops), die unterscheidet, welche Feldlinien geschlossen bleiben und welche aufbrechen, um den Sonnenwind ins All zu tragen. Durch die Entschlüsselung dieser magnetischen Konfigurationen liefert Dr. Heinemanns Forschung eine essenzielle Blaupause, um den unsichtbaren Einfluss unseres Sterns auf die technologische Infrastruktur der Erde besser zu verstehen.