Energietransport in der Sonnenatmosphäre: Hintergrundflüsse

Das grundlegende Ziel der Erforschung von Sonne und Weltraum ist es, die Aktivität der Sonne und die komplexen Auswirkungen dieser Prozesse auf die interplanetare Umwelt und die Planeten des Sonnensystems zu erforschen und zu verstehen. Beobachtungen durch Raumsonden und fortgeschrittene multi-dimensionale Modelle scheinen das Wesentliche der Sonnenaktivität und deren Einfluss auf das Sonnensystem erfasst zu haben. Doch viele Unsicherheiten und offene Probleme bleiben. Das Problem der Chromosphäre / koronalen Heizung ist bei Weitem noch nicht gelöst. Zusätzlich scheint auch die Vorhersage von Sonneneruptionen/Koronalen Massenauswurf (CME) eine wesentliche Aufgabe für die Entwicklung der Vorhersagen des "Weltraumwetters" zu sein. Für das vollständige Verständnis dieser Prozesse müssen die Beobachtungen und theoretische Anstrengungen verstärkt werden, insbesondere die geistige Durchdringung grundlegender Prozesse von magnetisierten Plasmen. Das vorliegende Projekt hat überwiegend das Ziel, die Auswirkungen der im Hintergrund fließenden Plasmaströme auf den Energietransport und die Freisetzungsprozesse in der solaren Chromosphäre und Korona zu untersuchen. Die wichtigsten Forschungsrichtungen des Projekts sind: 1) Instabilität der Strömung von neutralen Atomen quer zum Magnetfeld (Farley-Buneman Instabilität) in der unteren Atmosphäre der Sonne unter Berücksichtigung der Schwerkraft, 2) Scherströmungs-Instabilitäten und Phasenmischung in solaren Spikulae unter Berücksichtigung teilweise ionisierter Plasma-Effekte und 3) die Rolle der Hintergrundflüsse in der Instabilität der koronalen Magnetfeldstrukturen. Das innovative der vorgeschlagenen Forschung besteht in der Berücksichtigung des Einflusses der Hintergrundflüsse auf den Energietransport und die Freisetzungs-Prozesse unter Berücksichtigung der teilweisen Ionisierung des Plasmas in der Sonnenatmosphäre. Aktuelle Beobachtungen der verschiedenen Ströme und Strahlen zeigen eine verstärkte Rolle derselben bei der Bestimmung der Plasma-Parameter- und Energiebilanz in der gesamten solaren Atmosphäre. Die Berücksichtigung selbstkonsistenter Hintergrundflüsse in MHD-Modellierung kann eine wichtige Rolle spielen für das Verständnis des Energietransportes und Dissipationsprozesse. Die erwarteten Ergebnisse dieses Projektes werden unser Wissen über die Mechanismen der Chromosphäre / koronalen Heizung verbessern und einen weiteren Entwicklungsschritt des "Solar Weathers" ermöglichen, wie z. B. die Prognose der solaren Sonneneruptionen/KMEs, die sich komplementär zum "Space Weather" entwickeln kann. Diese Thematik stimuliert unsere Arbeit zur Verallgemeinerung der bestehenden theoretischen Ansätze zur Beschreibung von Prozessen bei teilweise ionisierten solaren Plasmen, die vorgeschlagene Forschung ist demnach "State oft he Art" für die moderne Sonnenphysik. Die im Projekt vorgeschlagenen theoretischen Studien werden mit den Analysen der Beobachtungsdaten und Interpretationen kombiniert.

Wie im Projektentwurf vorgeschlagen, wurden im Projekt Grundlagen unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Ströme der Sonnenatmosphäre und damit in Beziehung stehende Instabilitätsprozesse untersucht. Die Untersuchung berücksichtigte Aspekte der Wärmequellen und Wellen-Instabilität basierend auf partieller Plasma-Ionisation und MHD-Wellen-Verstärkung und Dissipation. Als zusätzlicher physikalischer Rahmen, wurden stark magnetisierte Plasmen unter 16-moment MHD untersucht. Alle Untersuchungen wurden auf der Basis von background flows und dynamischen Prozessen für die Aufrechterhaltung der Energiebilanz der Sonnenatmosphäre durchgeführt. Konkret wurde der Energietransport aus der Photosphäre, Energiefreisetzung und physikalische Mechanismen für Solarwind und flares/CMEs als zentrale fundamentale Probleme und Hauptkomponente des Projektes definiert. Die Untersuchung basierte gemäß Projektentwurf auf drei Säulen, die durch Beobachtungen bestätigt werden konnten: (i) Wärmeproduktion in der unteren Sonnenatmosphäre aus Dissipation elektrischer Ströme durch Ionen-neutrale Kollissionen, (ii) Partielle Ionisation in Strömungs-Instabilitäten von komplexen magnetischen und dynamischen Vorkommnissen (bright points, jets, spicules etc.) und (iii) Einfluß von background flows auf Instabilitäten der koronären magnetischen Struktur. Die Untersuchung beinhaltete sowohl bobachtende als auch modellierende Ansätze.(I) Die Analyse der Beobachtungsdaten inkludierte den längerfristigen Prozess der Datenverarbeitung, Bildanalyse, Parametermessung und -aufzeichung von SDO und Solar-Decameter Radio Daten. Dies erlaubte die systematische Identifikation von klein- und großräumigen Strömungsmustern sowie das Sammeln von Informationen über die zu Grunde liegenden physikalischen Mechanismen und deren Beteiligung an verschiedenen Instabilitätsprozessen. Berücksichtigt wurden die Zusammenhänge der Auswirkungen von Chromosphäre, Sonnenkorona und Sonnenwindprozessen, sowie den Vorgängen mit partieller Ionisation. Für letztere war es das Ziel, durch Beobachtung die spezifischen Beispiele der dynamischen Prozesse, deren Topologie der räumlichen und zeitlichen Ströme und charakteristischen physikalischen Bedingungen von deren Relevanz, aufzuzeigen und diese für die folgende theoretische Modellierung bereitzustellen. (ii) Die theoretische/numerische Modellierung erfolgte durch eine Kombination von analytischen und numerischen Methoden, mit einem Schwerpunkt auf theoretische Ableitungen. Die Studien basierten auf den beobachteten Prozessen der Energiefreisetzung und Transport durch die unterschiedlichen von uns beobachteten Flussprozesse. Mehrere analytische und numerische Modelle wurden entwickelt. Die Modelle unterstreichen das Verständnis der Strömungsmuster auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Maßstäben innerhalb eines kombinierten mathematischen Rahmens für partielle Ionisation und background flow Effekte.