Energie Transport / Freisetzung in der solaren Atmosphäre

Um die Sonnenaktivität und ihre Variabilität zu verstehen, ist es wesentlich, jene Mechanismen zu kennen, bei denen Energie im Inneren der Sonne erzeugt und in den Weltraum freigesetzt wird. Als wichtige Komponenten in der Kette der Transformation und des Transportes von Sonnenenergie ist die solare Chromosphäre und Korona zu verstehen. Bis jetzt gibt es keine klaren Vorstellungen über den Mechanismus der koronalen Aufheizung und Energieanreicherung. Spezifische Schwierigkeiten existieren auch bei der Erklärung des scharfen Temperaturanstieges in der dünnen Übergangsregion zwischen der oberen Chromosphäre und der unteren Korona. Unter den derzeit aktuellen Aufheizungsmechanismen der solaren Atmosphäre wird die Absorption starker Energieflüsse in der photosphärischen Konvektion und die Energiedissipation koronaler elektrischer Ströme angesehen. In Entsprechung dieses Paradigmas konzentriert sich das vorliegende Projekt auf Studien der Anregung von MHD-Wellen und elektrischer Ströme in der solaren unteren Photosphäre sowie deren Transport und Dissipation durch Kollisionen zwischen Ionen und Neutralteilchen in der solaren Chromosphäre und Korona. Besondere Beachtung wird den Prozessen der nichtlinearen Dynamik von MHD-Wellen und der Rolle des erhöhten Anteiles von Neutralatomen durch die Anwesenheit partiell ionisierten Heliums in der Korona und Chromosphäre geschenkt; dies unter Berücksichtigung physikalisch korrekter Selbstkonsistenz. Die in diesem Projekt angeführten theoretischen Studien werden kombiniert mit einer extensiven Analyse und Interpretation von Beobachtungsdaten, welche in Kooperation mit internationalen Beobachtungsteams zur Verfügung gestellt werden. Die solar-stellare Analogie in Bezug auf Atmosphären-Zusammensetzung und allgemeine stellare Gesetzmäßigkeiten machen die vorgeschlagenen Untersuchungen nicht nur für die Sonne, sondern auch für andere Sterne der entsprechenden Spektralklasse interessant. Die derzeit existierenden Beobachtungsprogramme und Raummissionen (SOLIS, GONG, SOHO, TRACE, RHESSI) der kürzlich gestarteten (STEREO und HINODE (solar-B)), sowie eine Anzahl von zukünftigen Projekten (SDO, SOLAR ORBITER, GREGOR, ATST) haben die Exploration der Sonne und des Sonnensystems zum Inhalt und verlangen eine Initiative theoretischer Programme, dessen Hauptstoßrichtung spezifisch auf Probleme der solaren Plasmadynamik, limitiert durch die Beobachtungen, abzielt. Die Idee solcher theoretischer Programme wurde in der solaren wissenschaftlichen Gemeinschaft schon seit längerem diskutiert. In diesem Zusammenhang sind die vorliegenden Untersuchungen und Kooperationen als relevanter Teil der allgemeinen internationalen wissenschaftlichen Anstrengung zu sehen. Mit diesem innovativen Ansatz in Bezug auf Zusammensetzung und Ionisationsgrad des solaren Plasmas und auch der umfangreichen Studien nicht linearer Prozesse in teilweise ionisierten solaren Plasmen kombiniert mit der Analyse von Beobachtungsdaten von internationalen Weltraumprogrammen, wird das Projekt ein Beitrag für die weitere Entwicklung unseres Wissens über die Sonne sein.

Die theoretische Untersuchung von MHD Wellen und Schwingungen im Solaren Plasma sowie die Interpretation von Beobachtungen der Dynamik und Energiefreisetzungsprozesse in der Sonnenatmosphäre bilden den Hauptfokus des Projekts. Besonders beleuchtet wurden die Prozesse der nichtlinearen Dynamik von MHD Wellen und die Rolle der durch die Anwesenheit von teilionisiertem Helium und Wasserstoff im solaren chromosphärischen und koronalen Plasma hervorgerufenen erhöhten Anzahl von neutralen Atomen, welche auf einer physikalisch korrekten und einheitlichen Art und Weise einkalkuliert wurde. Der theoretische Teil des Projektes umfasst analytische Annäherungen und mathematische Simulationen mit dem Ziel die komplexen dynamischen Prozesse und Energiefreisetzungsprozesse zu quantifizieren. Die Beobachtungs- und Datenanalyseaktivität bestand in der Anwendung von fortgeschrittener Datenanalyse-Technik auf Daten von aktuellen Weltraummissionen und Beobachtungsprogrammen. Eine der größten Errungenschaften des Projekts besteht in der Entwicklung einer universellen Annäherung zur Beschreibung von dynamischen Prozessen und Wellen unter Verwendung der Multifluid plasma magnetohydrodynamic (MHD). Diese Annäherung wurde dann für die Untersuchung der Dispersions und Ausbreitungseigenschaften der grundlegenden MHD Wellen-Modi, die in der Sonnenphysik wichtig sind, verwendet. Die durchgeführte Studie bestätigt die Signifikanz von Ion-neutralen Kollisionen für den Energietransport und für Wärmeprozesse im teilionisierten Plasma der solaren Photosphäre, der Chromosphäre und bei Sonnenprotuberanzen. Es wurde gezeigt, dass auch neutrales Helium - neben neutralem Wasserstoff - eine zusätzliche wichtige Rolle bei der Energiedissipation im relativ kalten Plasma (10.000 -40.000 K) der Sonnenprotuberanzen spielt.Das Projekt verbindet theoretische Forschung im Bereich der solaren Plasmaphysik mit der Analyse und Interpretation von Beobachtungsdaten, welche von internationalen Beobachterteams zur Verfügung gestellt wurden. Im Speziellen wurden transversale Schwingungen, Kink-Instabilitäten und Solitonen in Magnetfeldbögen aktiver Flare-Regionen, sowie Kink-Wellen und Spikulen untersucht und dafür physikalische Erklärungen gefunden. Zusätzlich wurde ein neuer Mechanismus zur Interpretation von 5-min Schwingungen in der Sonnenkorona, verbunden mit einem nichtlinearen Effekt hervorgerufen durch einen ursprünglichen Geschwindigkeitspuls, vorgeschlagen. Im Zuge der Projektarbeit erarbeiteten die Projektmitarbeiter mehrere Nachfolge-FWF-Projekte und spielten leitende Rollen in Forschungs- und Entwicklungskonsortien in drei EU Projekten: SolSpaNet (Teilprojektleiter), Europlanet (Teilprojektleiter) und IMPEx (Projektkoordinator).