Dynamische Phänomene und Magnetismus in der solaren Korona

Da unsere Sonne ein aktiver Stern ist, beeinflusst diese Aktivität die Erde und ihre menschliche Gesellschaft auf unterschiedlichster Weise. Das Erdklima, die Ozonkonzentration in der Stratosphäre sowie atmosphärischer Einfluss zeigen eine Abhängigkeit der solaren Aktivität. Astronauten, Flugpassagiere und elektronische Geräte auf Satelliten unterliegen dem Einfluss der energie-reichen Teilchen, erzeugt in "solar flares" und "coronal mass ejections" (CMEs). Elektrische Stromnetze, Kommunikations- und Navigationssysteme können durch geomagnetische Stürme, eine Konsequenz erhöhter Sonnenaktivität, gestört werden. Diese enge Wechselwirkung zwischen Erde und Sonne macht die Untersuchung der involvierten Prozesse essentiell. Diese Untersuchungen dienen aber auch dem besseren generellen Verständnis von Sternen und Weltraumplasmen. Eine wesentliches Anforderung für das Verständnis der Sonne-Erde Beziehung ist die Kenntnis der Ursachen der Variabilität der Sonnenaktivität, sowie das Verständnis der Prozesse welche die Energie von der Sonne hinaus in den Weltraum transferieren. Hier spielen Magnetfelder eine Schlüsselrolle. Die sichtbare Sonnenoberfläche hat eine dynamische komplexe Struktur. Sie besteht aus einer Reihe von sich entwickelnden, miteinander interagierenden magnetischen Flussröhren, welche mit dem lokalen Magnetfeld verknüpft sind. Diese Flussröhren sind die Bausteine der solaren Atmosphäre und repräsentieren die Form des Magnetfeldes wie es auf der Sonne vorkommt. Die Zeitabhängigkeit dieser plasma-magnetischen Strukturen ist eng verknüpft mit der dynamischen Struktur der Sonne, ausgehend von den inneren Regionen, Konvektions-Zone und Photosphäre, bis zur Korona. Energetische Phänomene auf der Sonne, verbunden mit der Dynamik magnetischer "loops", reichen von kleinen vorübergehenden Aufhellungen ("micro brightenings") und "jets", bis hin zu aktiven Regionen, "solar flares" und CMEs. In unserem Projekt betrachten wir die Entwicklung von theoretischen Modellen sowie die Interpretation von Beobachtungen, die Formation, Dynamik und Strahlungseigenschaften von solaren magnetischen Flussröhren betref-fend. Das Projekt ist aktuell in Anbetracht europäischer und internationaler (SOHO, TRACE, HESSI) sowie zukünftig geplanter (STEREO, Solar-B, Solar Orbiter, SDO ) Weltraum-Missionen. Zusätzlich wird die vorgeschlagene Untersuchung zur Entwicklung wissenschaftlicher Methoden führen, welche für die Planung und Einleitung von zukünftigen europäischen und internationalen Weltraumforschungsprogrammen wesentlich sind.

Der primäre Schwerpunkt des Projektes lag auf der Entwicklung theoretischer Modelle und der Interpretation der Beobachtungen der Dynamik und der Energieabgabe-Phänomene in der solaren Atmosphäre. Der theoretische Teil umfasste analytische Ansätze und numerische Simulationen im Hinblick auf die Quantifizierung komplexer Prozesse im solaren Plasma, wohingegen die aus Beobachtungen stammenden Datenanalysen einer fortgeschrittenen Analysetechnik unterzogen wurden, unter Einbeziehung jüngster solarer Raummissionen und Beobachtungsprogramme. Die Reihe theoretischer Untersuchungen und Simulationen ermöglichten die Formulierung und Ausarbeitung eines vereinheitlichten Konzeptes der kollektiven Dynamik und Energieabgabeprozesse in Gruppen von stromführenden koronalen magnetischen Bögen, welche induktiv miteinander wechselwirken (Projektziel (1)). Es wurden Phänomene wie die solaren Flares und CMEs untersucht. Die quantitative vergleichende Studie und numerische Simulation der unterschiedlichen MHD-Wellen Dämpfung und verwandter Energieabgabeeffekte im solaren, teilweise ionisierten Plasma (Projektziel (2)) lieferte den fundamentalen physikalischen Hintergrund für die Interpretation bestimmter Prozesse in der solaren Photosphäre, Chromosphäre und bei Protuberanzen. Zusätzlich wurde in diesem Projekt auch ein neuer Datenanalyse-Algorithmus ausgearbeitet, welcher auf der Kombination der "Sliding Window" Fourier (SWF) Transformation und der nichtlinearen Wigner-Ville (WV) Methode basiert, und auf das Gebiet der solaren Physik angewendet. Dieser Algorithmus ermöglicht die Entdeckung von komplexen Vielfach-Signalmodulationen in den Datenaufzeichnungen und ermöglicht zusätzlich dynamische Spektren dieser Modulationen herzustellen mit der Möglichkeit hoher Sensitivität und spektral- zeitlicher Auflösung. In der gegenwärtigen Form zeigt sich der SWF-WV Algorithmus als ein universelles Analysewerkzeug, welches in einem breiten Bereich von Studien angewendet werden kann und prinzipiell nicht allein auf die solare Physik limitiert ist. Während der Projektdurchführung wurden Tests dieses Algorithmus in den Bereichen der stellaren und Sonnenseismologie, der planetaren Radioastronomie, der Suche nach Exoplaneten und im Bereich der Wirtschaftswissenschaften durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Tests haben die hohe Effizienz dieses Algorithmus gezeigt, welcher eine breite Perspektive für Anwendungen in weiteren multidisziplinären Forschungsbereichen öffnet.