Die Entwicklung von Sonnenstürmen in der inneren Heliosphäre

Das Ziel dieses Projekts ist, unser Verständnis über die Ausbreitung und Ausdehnung von Sonnenstürmen im Sonnenwind zwischen Sonne und Erde zu erweitern. Dies soll helfen, die Vorhersagen von potentiell negativen Effekten von Sonnenstürmen bei der Erde zu verbessern. Diese Sonneneruptionen, auch bekannt als koronale Masseauswürfe (CMEs), werden von der äußersten Schicht der Sonnenatmosphäre mit enormen Geschwindigkeiten von bis zu 3000 Kilometern pro Sekunde ausgestoßen und erreichen die Erde in ein bis fünf Tagen. Sie sind die Quelle der stärksten Störungen in der Erdmagnetosphäre, und eine "Super-CME" könnte eine große Gefahr für unsere moderne technologische Infrastruktur darstellen. Im Speziellen können Satelliten im Erdorbit, Flugpersonal auf polaren Routen und Stromnetze am Boden beeinträchtigt werden. Es gibt daher einen großen Bedarf, die Genauigkeit von verschiedenen CME Modellen zu testen. Bisher sind diese Resultate allerdings kaum mithilfe von Daten, die an mehreren Punkten in situ im Sonnenwind gemessen wurden, verifiziert worden. Dieses Projekt soll diese Lücke schließen. Wir haben ein Hauptziel: die Bewegung und Form von CMEs in der inneren Heliosphäre zu verstehen. Zu diesem Zweck definieren wir zwei Arbeitspakete (WPs): Im WP1 (METHODEN ENTWICKLUNG) werden wir neue Techniken entwickeln, um CMEs mithilfe von Bildern der NASA/STEREO Mission zu modellieren. Im WP2 (CME AUSBREITUNG UND VORHERSAGE) werden wir die Vorhersagen dieser Methoden mit in situ Daten von CMEs an mehreren Punkten evaluieren, um deren physikalische Parameter wie die globale Form, 3D- Orientierung und Kinematik zu erfassen. Dazu werden Messungen von geeigneten, zur Zeit operativen Raumsonden, herangezogen: MESSENGER bei Merkur, Venus Express bei Venus, ACE/Wind bei der Erde und STEREO-A/B im Sonnenwind. Die Resultate werden leistungsfähige Software-Pakete und Analysen zur Ausbreitung und globalen Ausdehnung von CMEs sein, die in international referierten Journals publiziert werden, und als Input für die Anstrengungen zur Weltraum-Wettervorhersage dienen. Das Projekt wird auch dazu beitragen, unser Verständnis von der Wechselwirkung von CMEs mit den Atmosphären und Magnetosphären von terrestrischen Planeten zu verbessern. Weiters werden die Missionen Solar Orbiter und Solar Probe Plus zur Zeit gebaut. Sie werden am Ende dieser Dekade näher an die Sonne heranfliegen als jemals zuvor. Das Know-how Österreichs auf diesem Gebiet, welches in diesem Projekt ausgebaut wird, kann daher als Basis für die Involvierung bei diesen zukünftigen, vielversprechenden Missionen dienen.

In diesem Projekt wurde eine neue Methode entwickelt um Sonnenstürme zu modellieren und vorherzusagen, basierend auf Daten eines Instruments auf den NASA STEREO-Raumsonden welches den Sonnenwind abbilden kann. Der Vergleich mit bisher verwendeten Vorhersagemethoden zeigt, dass mit dem neuen Modell eine Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der Ankunftszeit und im Speziellen auch der Ankunfts-Geschwindigkeit erreicht werden kann. In einer weiteren Studie wurde das Modell auf einen Sonnensturm angewandt, der an mehreren Punkten im All gemessen wurde. Dadurch war es möglich, die Form der Front sowie die Kinematiken des Sturms zu verifizieren. Unsere neue Methode ist nun state-of-the-art und wird zur Interpretation von Daten zukünftiger Raumsonden (Parker Solar Probe, Solar Orbiter) verwendet werden. Wir haben auch herausgefunden, dass die kleinen Fehler in den Berechnungen der Richtung, Geschwindigkeit und Form der Sonnenstürme nahe bei der Sonne, später relativ große Fehler in der Berechnung der Ankunftszeit verursachen. Weiters konnten wir zeigen, dass Sonnenstürme unter gewissen Umständen bis zu 45 seitwärts ausbrechen können. Das bedeutet, dass ein Sturm die Erde eventuell nicht trifft obwohl wir glauben, dass er auf uns zukommt, oder Stürme, die als harmlos eingestuft werden doch signifikante Effekte haben können. Eines der größten Probleme in diesem Forschungsgebiet dreht sich um die Vorhersage der Magnetfelder im Kern des Sonnensturms. Hierzu haben wir in zwei Studien neue Methoden entworfen, in denen wir einerseits mithilfe einer Simulation und andererseits mit Beobachtungen im Venus-Orbit Lösungsansätze für dieses Problem zeigten. In beiden Studien war das Resultat prinzipiell positiv, doch müssten für die Anwendbarkeit in Echtzeit einige Parameter der Simulation besser eingegrenzt werden und Daten von einer Raumsonde entlang der Sonne-Erde Linie verfügbar sein. Daher könnte ein Ring von kleinen Raumsonden um die Sonne möglicherweise in ferner Zukunft ein Lösung für dieses Problem sein. Damit könnten wir erstmals präzise Vorhersagen von Nordlichtern ermöglichen, und sogar helfen Stromausfälle bei sehr starken Sonnenstürmen zu vermeiden. Durch diese und viele weitere Resultate hatte dieses Projekt einen starken Impakt in der internationalen Heliophysik, es bildete die Grundlage für eine weitere Beteiligung unsere Gruppe an neuen Raumsonden-Missionen, und brachte uns unserem langfristigen Ziel, ein österreichisches Weltraumwetter-Service aufzubauen, ein sehr großes Stück näher.