Die Magnetischen RossbyWellen auf der Sonne

Die Aktivität der Sonne, die Dynamik des Plasmas im Sonneninneren und in der Sonnenatmosphäre über lange Zeiträume und kurzfristige energetische Prozesse in der Sonnenkorona (Sonneneruptionen, Koronale Massenauswürfe (CMEs)) bestimmt, ist noch nicht vollständig verstanden, trotz erheblicher Anstrengungen der wissenschaftlichen Gemeinschaft in den letzten Jahrzehnten. Erzeugung von magnetischen Zyklen, Mechanismen für die Sonneneruptionen/CMEs und das Aufheizen der Chromosphäre/Korona sind noch lange nicht endgültig aufgelöst. Zusätzlich ist auch die Vorhersage von Sonneneruptionen/CMEs eine wesentliche Aufgabe für die Entwicklung von Vorhersagen des "Space Weather". Für das vollständige Verständnis dieser Prozesse müssen die Beobachtungen und theoretischen Anstrengungen in den Studien fundamentalen Prozesse von magnetisierten Plasmen verstärkt werden. Rossbywellen bestimmen die großräumige Dynamik der planetaren Atmosphären. Diese Wellen entstehen durch die Variation der Coriolis Parameter mit der (geografischen) Breite und werden in Geophysik verwendet. Doch das großflächige magnetische Feld im Sonneninneren und der Atmosphäre kann die Dynamik von Rossbywellen signifikant ändern, was verschiedene beobachteten Phänomene auf der Sonne erklären könnte. Das vorliegende Projekt zielt überwiegend darauf ab, die Auswirkungen der magnetischen Rossbywellen in der großflächigen Dynamik des Sonneninneren und der Sonnenatmosphäre zu untersuchen. Die wichtigsten Forschungsrichtungen des Projekts sind: 1) Instabilität der magnetischen Rossbywellen in der Solaren Tachocline und ihre Beziehung zu beachteten mittleren Periodizitäten in der Sonnenaktivität (auf einer Zeitskala von Monaten), 2) Abschätzung der Plasma-Parameter in der Solaren Tachocline unter Verwendung der Mittleren Periodizitäten, 3) Großflächige Dynamik der magnetischen Rossbywellen in der Sonnenatmosphäre. Die erwarteten Ergebnisse dieses Projektes werden von ungeheurer Bedeutung für die weitere Untersuchung der großflächigen Dynamik der Solaren Tachocline und Atmosphäre sein. Die instabilen Oberwellen der magnetischen Rossbywellen können verantwortlich sein kann für Mittlere Periodizitäten der Solaren Aktivität, was einen Anhaltspunkt für die weitere Untersuchung des Sonnen Dynamos und damit der magnetischen Zyklen liefern kann. Die beobachteten Mittleren Periodizitäten können zur Abschätzung der magnetischen Feldstärke und differentiellen Rotationsrate in der solaren Tachocline verwendet werden. Mit Hilfe der Helioseismologie wird die Tachocline Seismologie weiterentwickeln. Die nichtlineare Dynamik der magnetischen Rossbywellen kann zur Erklärung der beobachteten "solaren cyclones" in der Sonnenatmosphäre führen.

Das primäre wissenschaftliche Ziel des Projekts war die Studie großskaliger Bewegungen in der magnetisierten Sonnenatmosphäre/im Sonneninneren, verursacht durch magnetische Rossby (planetare) Wellen und deren Verbindung zu den beobachteten Variationen in der solaren Aktivität. Kürzlich durchgeführte Beobachtungen von Rossby Wellen auf der Sonne bestätigten in der Tat die Wichtigkeit dieser Wellen für die Dynamik des Sonnenplasmas. Das Projekt beinhaltet die theoretische Studie magnetischer Rossby Wellen durch analytische und numerische Berechnungen, sowie die statistische Analyse von langzeitigen Aufzeichnung von Sonnenflecken (auf der Sonne) und Radionukliden (auf der Erde).Es wird gezeigt, dass die magnetischen Rossby Wellen in der solaren Tachokline, einer dünnen Schicht unter der solaren Konvektionszone, für die beobachteten langzeitigen Variationen der Sonnenaktivität mit Perioden von einigen hundert Jahren verantwortlich sind. Alle beobachteten Periodizitäten wurden durch die Rossby Wellen-sphärische-Harmonische und das zukünftige Langzeitverhalten der Sonnenzyklen-Stärke vorausgesagt. Ebenso wurde herausgefunden, dass die Rossby Wellen für die beobachteten kurzzeitigen Variationen der solaren Aktivität mit Perioden von einigen hundert Tagen verantwortlich sind. Unser Studienergebnis zeigte, dass die beobachtete Periodizität mit der Sonnenzyklus-Stärke antikorreliert ist: stärkere Zyklen weisen eine kürzere Periodizität auf. Auf Basis der beobachteten kurzzeitigen Periodizität und der Theorie der magnetischen Rossby Wellen wurde die magnetische Feldstärke im Sonneninneren abgeschätzt, was eine neuartige und vielversprechende Methode zur Überprüfung verschiedener Dynamomodelle der Sonnenzyklenentwicklung darstellt. Unter Verwendung dieser Methode wurde desweiteren herausgefunden, dass die magnetische Feldstärke um 25 % stärker in der aktiveren Hemisphäre der Sonne ist, was eine Herausforderung für die Dynamotheorie darstellt. Die Ergebnisse, die im Rahmen des Projekts erhalten wurden sind bahnbrechend und stellen eine einzigartige Möglichkeit dar um die Sonnenaktivität zu studieren. Die Methodologie und Theorie kann auch auf andere sonnenähnliche Sterne angewandt werden, die sonnenähnliche Aktivitätsvariationen aufweisen. Beobachtungen von sonnenähnlichen Sternen zu verschiedenen Phasen ihrer Entwicklung erlauben, zusammen mit der Theorie der magnetischen Rossby Wellen, die Untersuchung der Entwicklung des stellaren inneren Magnetfelds und somit des stellaren Dynamos. Aus diesem Grund eröffnen die Projektresultate neue interdisziplinäre Forschungsschwerpunkte in verschiedenen Themengebieten der Astrophysik. Langzeitige Vorhersagen der Sonnenaktivität basierend auf der magnetischen Rossby-Wellen-Theroie ist von enormer Wichtigkeit für die langzeitige Planung zukünftiger wissenschaftlich-technologischer Aktivitäten, die einen Kernpunkt für die zukünftige Entwicklung unserer Zivilisation darstellen.