Die Vorhersage von Sonnenstürmen bei der Erde

In den letzten Jahren gab es immer wieder Medienberichte von Sonnenstürmen, die sich auf dem Weg zur Erde befinden. Sonnenstürme, sogenannte koronale Massenauswurfe (kurz CME fur coronal mass ejection), sind Strukturen bestehend aus geladenen Teilchen und einer eingebetteten Magentfeldstruktur. Während langsame CMEs drei bis fünf Tage unterwegs sind, können die schnellsten die Erde innerhalb von weniger als einem Tag erreichen, wobei sie mit Geschwindigkeiten von bis zu 10 Millionen Kilometern pro Stunde auf das Erdmagnetfeld auftreffen. Durch die Wechselwirkung mit der Erdmagnetosphäre kann es zu sogenannten geomagnetischen Stürmen kommen, die nicht nur Satelliten schwer beschädigen können, sondern auch auf der Erdoberfläche großflächige Stromausfälle oder andere Störungen verursachen können. Die Vorhersage der Ankunftszeiten und -geschwindigkeiten solcher CMEs ist besonders schwierig. Aufgrund der limitierten Beobachtungsmöglichkeiten sind Fehler von 1020 Stunden in der Ankunftszeit keine Seltenheit. Ein ebenso großes Problem stellen falsche Vorhersagen dar, bei denen zwar vor einer Ankunft eines Sonnensturms gewarnt wird, es jedoch nicht dazu kommt oder umgekehrt. Das Ziel dieses Projekts ist die Weiterentwicklung eines Vorhersagemodells, das zur Zeit eine elliptische Form für die Front des CMEs und einen ruhigen ungestörten Sonnenwind annimmt, der die Struktur abbremst oder auch beschleunigt. Beobachtungen der NASA Mission Solar TErrestrial RElations Observatory (STEREO) und ihren Weitwinkelkameras (sog. heliospheric imagers) sind die Basis für diese Vorhersagen. Diese Weitwinkelkameras ermöglichen die seitliche Beobachtung von CMEs auf ihrem Weg. Ziel ist es, das Modell von der elliptischen Form loszulösen und eine Variation des Sonnenwindes zu inkludieren. Durch die Wechselwirkung von CMEs und schnellen Sonnenwindströmen oder anderen CMEs, kann es zu einer Veränderung der Form des CMEs während der Fortbewegung kommen. Diese Verformungen werden durchdiese Änderungen im Vorhersagemodell in Zukunft berücksichtigt. Anhand eines großen bereits vorhandenen Datensatzes wird das Modell getestet und auch die beste Position für zukünftige Weltraumwettermissionen ermittelt. Ein ebenso wichtiger Punkt ist, dass das Vorhersagemodell auf zukünftige Daten von Beobachtungen von polarisiertem Licht anwendbar wird. Durch diese Beobachtungen kann man direkt auf die Form des CMEs schließen, welche wiederum direkt in das Modell einfließen kann. Wir erwarten uns durch diese Modellverbesserungen sowohl eine signifikante Verringerung des Fehlers in der Vorhersage der Ankunftszeit von Sonnenstürmen als auch eine Verringerung der Falschvorhersagen.

Sonnenstürme können weitreichende Auswirkungen auf technologische Systeme im Weltall und auf der Erde haben, sie können Pipelines schädigen, hohe Ströme in Elektrizitätsleitungen induzieren und Kommunikationskanäle stören. Um diese Effekte voraussagen zu können, ist es notwendig, besser über die Ausbreitungen dieser Massenauswürfe aus der Sonnenkorona (CMEs für "coronal mass ejections") Bescheid zu wissen. Im Projekt "Die Vorhersage von Sonnenstürmen bei der Erde" wurden Daten von Instrumenten verwendet, die CMEs während ihrer Ausbreitung von der Sonne bis zur Erdumlaufbahn von der Seite beobachten können. Diese Daten sind die Basis für ein Ausbreitungsmodell, das am Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften entwickelt wurde und nun verbessert werden konnte. Dieses Modell erlaubt nicht nur die Nutzung der Daten dieser Weitwinkelkameras, es bezieht auch die Wechselwirkung von CME und Sonnenwind mit ein. Die NASA Mission "STEREO" besteht aus zwei baugleichen Satelliten, die diese Weitwinkelbeobachtungen von unterschiedlichen Blickwinkeln liefern. So war es möglich, zu untersuchen, ob Daten von unterschiedlichen Beobachtungspositionen zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Tatsächlich konnte gezeigt werden, dass es zu Abweichungen in der Ankunftszeit bei der Erde von bis zu 18 Stunden kommen kann - je nachdem von welcher Seite man denselben Sonnensturm beobachtet. Basierend auf dieser Erkenntnis, wurde das Ausbreitungsmodell weiterentwickelt und die bisher als starr angenommene Form des CMEs wurde verformbar. Nun war es möglich, dass die Front des CME sich den örtlichen Gegebenheiten, wie Sonnenwindgeschwindigkeit und -dichte, anpasst und es somit zu einer Verformung der Front kommen kann. Trifft der Sonnensturm auf Regionen im Sonnenwind, die langsamer sind als er selbst, wird er durch den auftretenden Strömungswiderstand an dieser Stelle abgebremst und somit verformt. Umgekehrt ist es auch möglich, dass ein langsamer Sonnensturm vom umgebenden schnelleren Sonnenwind beschleunigt, bzw. mitgezogen wird. Eine weitere Neuerung, die dieses Modell nun beinhaltet, ist die Abschätzung der Masse des CME. Dies ist ein erster Schritt in Richtung der Vorhersage der Dichte eines Sonnensturms, die mitverantwortlich für die verstärkte Wechselwirkung mit der Erdmagnetosphäre ist. Auch der Einfluss, den die Verwendung von verschiedenen Sonnenwindmodellen auf das Vorhersageergebnis hat, wurde untersucht. Hier kommt es zu signifikanten Unterschieden in der resultierenden Form der CME Front, was die Wichtigkeit einer akkuraten Sonnenwindmodellierung unterstreicht. Die Lokalisation von schnelleren und langsameren Strömungen im Sonnenwind beeinflusst direkt das Ergebnis des CME Modells. Ein weiterer wichtiger Punkt im Bereich der Vorhersage der Ankunftszeit eines Sonnensturms bei der Erde (oder bei anderen Orten im Sonnensystem) ist die Qualität der zur Verfügung stehenden Daten. Die bereits erwähnten Weitwinkelbeobachtungen sind in Echtzeit nämlich nur in eingeschränkter Qualität verfügbar. In einer Studie innerhalb des Projekts wurden die Auswirkungen untersucht, die die Verwendung dieser Echtzeitdaten auf das Vorhersageergebnis hat. Tatsächlich führt die Verwendung von Bildern mit geringerer zeitlicher und örtlicher Auflösung zu einer Verschlechterung der Genauigkeit des Modells.