Solare Flare-Erkennung und Untersuchung

Die Sonne, der uns am nächsten gelegene Fixstern, ändert ihr Erscheinen auf verschiedenartige Weise, mit einer Periode von etwa 11 Jahren. Ein besonders gewaltiges Phänomen sind Flares, die explosive Energieausbrüche auf der Sonne innerhalb weniger Minuten darstellen. Aufgrund des direkten Einflusses hoch-energetischer Teilchen, die während eines Flares beschleunigt werden, auf die Erde und den erdnahen Weltraum, haben Flares einen wesentlichen Einfluß auf das "Space Weather". Space Weather bezeichnet die Bedingungen auf der Sonne, im Sonnenwind, der Erdmagnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre, die die Funktionstüchtigkeit von technologischen Systemen auf der Erde wie im Weltraum beeinträchtigen und menschliches Leben gefährden können. Das Ziel des vorliegenden Projektes ist es, ein System zu entwickeln, das auf automatische Weise und in Quasi- Echtzeit den Beginn eines Flares erkennt und seine Entwicklung verfolgt. Das System wird auf Beobachtungen der gesamten Sonne im Licht der H-alpha Linie basieren, die am Sonnenobservatorium Kanzelhöhe (Kärnten, Österreich) routinemäßig mit einer zeitlichen Kadenz von 1 Minute gewonnen werden. Ein solches Flare- Erkennungs-System ist auf verschiedene Weise von hohem Nutzen: 1) Die Anwendung der Flare-Erkennungs-Software auf das aktuell beobachtete H-alpha Bild der Sonne liefert eine Beschreibung der Sonnenaktivität in Quasi-Echtzeit. Darüberhinaus soll die Erkennung des Beginns eines Flares dazu herangezogen werden, die Beobachtungskadenz weiter zu erhöhen, was ermöglicht, die Dynamik mit noch höherer zeitlicher Auflösung zu verfolgen. 2) Die Software kann auch auf die bereits existierenden Zeitserien von H-alpha Bildern des Kanzelhöhe Datenarchivs angewandt werden. Sie bietet einen einfachen Zugang zu statistischen Analysen von H-alpha Flares wie auch zu kombinierten Untersuchungen von Flares, beobachtet in verschiedenen Wellenlängen und damit verschiedenen Schichten der Sonnenatmosphäre. 3) Vor kurzem wurde zwischen dem Big Bear Solar Observatory (U.S.A.), dem Yunnan Solar Observatory (China) und dem Sonnenobservatorium Kanzelhöhe das "Global High-Resolution H-alpha Network" aufgebaut, das ein koordiniertes Rund-um-die-Uhr-Netzwerk zur Beobachtung der gesamten Sonne in H-alpha mit einer zeitlichen Kadenz von 1 Bild/Minute und einer räumlichen Auflösung von 1"/pixel darstellt. Da alle drei Observatorien über ähnliche Beobachtungsinstrumente und die gleichen Datenbearbeitungsprogramme verfügen, kann das Flare-Erkennungs-Programm auch auf die Bilder von den Observatorien am Big Bear und in Yunnan angewandt werden, was eine Untersuchung von Flares in außergewöhnlich langen (im besten Fall: ununterbrochenen) Bildserien ermöglicht.

Ziel des vorliegenden Projekt war es, die Beobachtungsprogramme zur Flare-Überwachung am Observatorium Kanzelhöhe (Treffen, Kärnten), das Teil des Instituts für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz ist, zu erweitern und die Physik dieser energetischen Ereignisse auf der Sonne zu studieren. Solare Flares und koronale Massenauswürfe (CMEs) sind die Verursacher des sog. Weltraumwetters (space weather), das die Erde und den erdnahen Weltraum durch eine Vielzahl an Phänomenen beeinflussen kann (hochenergetische Teilchen, Schockwellen, erhöhte Strahlung, etc.). Insbesondere stellen space weather Ereignisse eine Gefahr für hochtechnisierte Systeme im Weltraum (z.B. Telekommunikationssatelliten) dar, von denen unsere Gesellschaft in zunehmendem Maße abhängig ist. Allen Versuchen, das Weltraumwetter zu modellieren und vorherzusagen, muss ein grundlegendes physikalisches Verständnis der verursachenden Phänomene auf der Sonne (Flares und CMEs) sowie ihre Kopplung mit dem interplanetaren Medium vorangehen. Eine dafür notwendige Grundlage stellen regelmäßige Beobachtungen der Sonne mit hoher Qualität sowie die detaillierte Analyse von Flares, CMEs und assoziierten Phänomenen dar. Während des vorgestellten Projekts wurden die regelmäßigen (7-Tage pro Woche) Beobachtungen der gesamten Sonne in der H-alpha Spektrallinie des neutralen Wasserstoffs am Observatorium Kanzelhöhe (mit einer Auflösung von 2.2 Bogensekunden pro pixel) von einer Zeitkadenz >1 min auf 5 sec verbessert. Diese Daten stellen eine wichtige Grundlage für space weather Studien dar und sind auch wichtig zur Unterstützung und Ergänzung von Sonnenbeobachtungen aus dem Weltraum aus, wie z.B. der SOHO Mission der ESA/NASA, der NASA RHESSI Mission sowie auch zukünftiger Sonnenforschungssatelliten wie STEREO und Solar B. Darüber hinaus wurden die H-alpha Beobachtungen am Observatorium Kanzelhöhe auch signifikant verbessert und erweitert, indem automatische Flare-Beobachtungen auch in den Flügeln der H-alpha Linie durchgeführt werden, was enorm wichtig ist für die Analyse von Materiebewegungen und Wellenphäno- menen. Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurden neue Einsichten in die Ursache und Ausbreitung von Wellen, die in Assoziation mit Flare/CME- Ereignissen auftreten, gewonnen. Es wurde gezeigt, dass zumindest in einigen Fällen der Flare (Druckwelle) die Ursache darstellt und nicht der expandierende CME. Darüber hinaus konnten solche Wellen auch erstmals in Sonnenbildern, die bei Meter-Radiowellen aufgenommen wurden, nachgewiesen werden, wo-durch sich neue diagnostische Möglichkeiten eröffnen, die Aufschluss über die physikalischen Parameter in der Störung selbst geben können. Ein weiteres wichtiges Resultat ist die Entdeckung von koronalen Röntgenstrahlungsquellen, die durch Abstoppung beschleunigter Elektronen in dichtem Plasma entstehen. Solche Quellen wurden erstmals durch den RHESSI Satelliten beobachtet und stellen eine Herausforderung für die Standardtheorie magnetischer Rekonnexion in solaren Flares dar.