Magnetische Wolken und ihre solaren Ursprünge

Explosive Massenauswürfe von der Sonne (coronal mass ejections, CMEs) stellen die wichtigste Quelle für starke Störungen unserer Erdatmosphäre dar. Theoretische Modelle und Simulationen kombiniert mit in-situ Messungen kommen verstärkt zur Anwendung, um solche interplanetaren Störungen wie CMEs und magnetische Wolken (magnetic clouds, MCs) besser verstehen und in letzter Konsequenz voraussagen zu können. Insbesondere kann ein starkes südwärts gerichtetes Magnetfeld von MCs über längere Zeit grosse Kräfte auf die Erdmagnetosphäre ausüben, und damit starke geomagnetischen Störungen hervorrufen. Unsere moderne Gesellschaft ist immer mehr von Technologien und Satelliten abhängig, die sich außerhalb oder am Rande der Erdatmosphäre und der Ionosphäre befinden. Daher ist eine sichere Vorhersage solcher Störungen des sogenannten "space weathers" von großer Wichtigkeit für viele öffentliche wie auch private Institutionen. Die kürzlich (Oktober 2006) gestartete NASA Mission STEREO wird erstmals solare Eruptionen mit Hilfe stereoskopischer Aufnahmen in ihrer drei- dimensionalen Struktur erfassen und auf ihrem gesamten Weg von der Sonne zur Erde verfolgen können. Magnetische Wolken (MCs) weisen besondere Eigenschaften auf, insbesondere ein starkes Magnetfeld, das über einen großen Winkel in einem low-beta Plasma rotiert. Diese Besonderheiten können von Satelliten in Erdnähe relativ gut identifiziert werden, was MCs zu idealen Studienobjekten macht, um die Ursachen geomagnetischer Stürme und, ganz allgemein, solar-terrestrische Beziehungen zu erforschen. Um die Struktur von MCs und ihre Entwicklung in der inneren Heliosphäre besser zu verstehen, soll im vorliegenden Projekt eine innovative 2.5-D Methode zur Anwendung kommen, die die magnetische und Plasma-Struktur in einem Querschnitt der magnetischen Wolke rekonstruiert, wenn sie über mehrere Messsatelliten streift. Die Methode, die auf den Grad- Shafranov (GS) Gleichungen basiert, hat insbesondere den Vorteil, dass sie keine Vorannahmen über die Geometrie macht und im speziellen auch keine zylindrisch-symmetrische Flussröhre voraussetzt. Wenn es möglich ist, Parameter auf der Sonne zu identifizieren, die die speziellen Eigenschaften von geoeffektiven MCs anzeigen, könnten die interplanetaren Konsequenzen von solaren Eruptionen vorhergesagt werden. Um die prä-eruptiven Strukturen von CMEs und MCs besser zu verstehen, werden wir Analysen bezüglich ihrer Struktur und Magnetfeldkonfiguration durchführen. Zudem werden wir sie während ihrer eruptiven Phase und anschließenden Ausbreitung im interplanetaren Raum bis zur Erde verfolgen und vermessen. Dazu werden umfangreiche Sonnenbeobachtungen von bodengebundenen Observatorien sowie von Satelliten (STEREO, Hinode, SoHO, TRACE) herangezogen werden, um Schlüsselparameter auf der Sonne (Orientierung, magnetischer Fluss, magnetischer twist) zu evaluieren, die schließlich mit den entsprechenden interplanetaren MC-Parametern verglichen werden. Die geplante Periode, in der das Projekt durchgeführt werden soll (Ende 2007 bis Ende 2010) ist ideal für dessen Durchführung geeignet: a) die neue und innovative STEREO Mission wird MCs mit 2 identischen, aber räumlich getrennten Satelliten beobachten; b) der Zeitraum fällt mit der Minimums- und Anstiegsphase des aktuellen Sonnenzyklus zusammen, wodurch isolierte MCs eindeutig den entsprechenden Signaturen auf der Sonne zugeordnet werden können.

Dieses Projekt beschäftigte sich mit Beobachtungen und Modellierung von Daten neuester Weltraumsonden, um "koronale Masseauswürfe" (coronal mass ejections, CMEs) von der Sonne besser zu verstehen. Bei CMEs werden enorme Mengen an Plasma und Magnetfeldern aus der äußersten Schicht der Sonnenatmosphäre mit Geschwindigkeiten von Millionen Kilometern pro Stunde in den interplanetaren Raum ausgestoßen. Sie sind die wichtigste Quelle für starke Störungen der Erdmagnetosphäre, die eine zunehmend größer werdende Gefahr für die moderne technische Infrastruktur darstellen (z.B. für GNSS Systeme und die Stromversorgung). Daher ist eine sichere Vorhersage solcher massiver Störungen des sogenannten "space weathers" von großer Wichtigkeit für viele öffentliche wie auch private Institutionen. Das Ziel dieses Projekts war es, neue Zusammenhänge zwischen Beobachtungen von CMEs direkt im Sonnenwind (STEREO, Wind, ACE Missionen), deren Quellregionen auf der Sonne (SOHO/STEREO) sowie Bildern, die während der CME Ausbreitung im Sonnenwind gemacht wurden (STEREO), aufzuzeigen. Es ist wichtig zu verstehen, wie "magnetische Wolken" (magnetic clouds, MCs), die Kerne von CMEs, in der Sonnenkorona entstehen, und wie ihre Größe und Magnetfeld-Topologie besser berechnet werden kann. Diese Resultate sind notwendig, um Methoden zur Vorhersage ihrer Auswirkungen auf die Erde zu verbessern. Die wichtigsten Resultate unseres Projekts sind: 1) Durch eine Erweiterung einer Methode zur Modellierung von magnetischen Wolken für Daten mehrerer Raumsonden konnte eine helikale Magnetfeld-Topologie gezeigt werden, ein annähernd kreisförmiger Querschnitt und eine wahrscheinliche Entstehung der MC während der Eruption auf der Sonne (flare). 2) Durch die Kombination heliosphärischer Bilder der CME (STEREO HI Instrument) mit in situ Messungen einer Raumsonde konnten folgende Hypothesen bestätigt werden: a) die Intensitäts-Lücke (void) von CMEs in Beobachtungen mittels Koronagraphen entspricht der MC, und b) ein streifender Treffer einer CME mit der Erde kann spezielle, MC ähnliche Magnetfeld und Plasma-Signaturen hervorrufen und eine lange Wachstumsphase des magnetischen Sturms zur Folge haben. 3) Die Ausrichtung von MCs in 3D konnte mit der Orientierung und Morphologie der CME in den HI-Bildern in Einklang gebracht werden, wodurch die Möglichkeit zur Vorhersage von MC Parametern aus HI-Bildern gegeben ist. 4) Eine neue Methode zur Vorhersage der Richtung, Geschwindigkeit und Ankunftszeit von CMEs bei der Erde mit Hilfe von HI Bildern wurde entwickelt, und angewandt auf CMEs die von STEREO in Echtzeit beobachtet wurden. Insbesondere letzteres leistet einen Beitrag für mögliche zukünftige Missionen, bei denen eine oder zwei Raumsonden an die Lagrange- Punkte L5 / L4 im System Sonne-Erde gebracht werden, um die Vorhersagen des Weltraumwetters zu verbessern.