Modellierung der magnetischen Kerne von Sonnenstürmen

Die Sonne produziert sogenannte Sonnenstürme, Wolken aus Plasma die starke Magnetfelder enthalten und die immer wieder aus ihrer äußersten Schicht ausgestoßen werden. Sie werden im Sonnenwind zwischen den Planeten gebremst und expandieren stark. Falls sie auf die Erde treffen werden Nordlichter deutlich intensiviert, doch ihr Impakt kann sogar in seltenen Fällen zu Problemen mit der Stromversorgung und globalen Navigations-Systemen führen. In diesem Projekt arbeiten wir an einem besseren Verständnis der Magnetfelder in deren Kern, die eine relativ geordnete Struktur aufweisen und die im Kontrast stehen zur turbulenten Umgebung des Sonnenwinds in dem sie sich ausbreiten. Wenn so ein Kern auf das Erdmagnetfeld trifft, muss das Magnetfeld in die korrekte Richtung zeigen um Energie auf das Erdmagnetfeld übertragen zu können. Daher müssen diese geordneten Strukturen in den Kernen besser verstanden werden, um ihre Effekte auf die Erde und andere Planeten besser vorhersagen zu können. Wir werden eine neue Art von Simulation weiterentwickeln welche diese Kerne beschreibt, basierend auf der Hypothese dass es sich um extrem grosse gebogenen Röhren handelt, die eine spezielle Struktur des Magnetfelds beinhalten. Dies hat mehrere Vorteile - unter anderem können unsere Berechnungen sehr schnell erfolgen womit die Bereiche von vielen Parametern getestet werden können. Auch ist das Modell auf eine Art und Weise entworfen sodass es zukünftig direkt für die Vorhersage von Sonnenstürmen verwendet werden kann. Die erst kürzlich neu verfügbaren Daten von vielen Raumsonden im Sonnenwind zwischen Sonne und Erde werden in unserem Projekt zu bahnbrechenden neuen Erkentnissen führen, weil wir unser Modell zum ersten mal mit mehreren Beobachtungen desselben Sonnensturms, zum Beispiel bei Merkur, Venus und Erde, testen können. Dies erlaubt die freien Parameter der Simulation stark einzugrenzen um robuste Resultate zur Ausbreitung und Entwicklung von Sonnenstürmen zwischen Sonne und Erde zu finden. Als Bonus wird 2018 voraussichtlich die erste Raumsonde gestartet welche sich zeitweise zwischen der Sonne und Merkur befinden wird die Parker Solar Probe. Dies könnte zu noch nie dagewesenen Beobachtungen von Sonnenstürmen nahe an der Sonne führen. Unsere Simulation ist perfekt geeignet diese Beobachtungen zu interpretieren, die entscheidende Hinweise darauf geben könnten wie Sonnenstürme auf der Sonne entstehen und wie sie sich danach bis zur Erde ausbreiten.

In diesem Forschungsprojekt wurden physikalische Modelle der Magnetfelder im Inneren von Sonnenstürmen erstellt, die es in weiterer Folge ermöglichen könnten, die Effekte von Sonnenstürmen auf der Erde besser vorherzusagen. Die Vorhersage des Sonnenwindes, der ständig um das Erdmagnetfeld strömt, ist eine wichtige Zukunftstechnologie, um sich auf potentiell destruktive Ereignisse wie zum Beispiel Ausfälle der Stromversorgung, die durch sehr starke Sonnenstürme entstehen können, besser vorbereiten zu können. Aber auch Nordlichter könnten durch solch eine Wettervorhersage für das erdnahe Weltall besser prognostiziert werden. Sonnenstürme sind Wolken aus Plasma, die starke Magnetfelder enthalten, und die oft aus der äußersten Schicht der Sonne ausgestoßen werden. Sie haben eine geordnete Struktur, die als spiralförmig umschrieben werden kann. Mit Hilfe von Gleichungen, die normalerweise Flüssigkeiten beschreiben, können diese Stürme modelliert werden, man muss jedoch auch ihr Magnetfeld berücksichtigen. Dieses Magnetfeld ist entscheidend für die Effekte auf der Erde, aber dessen großräumige Struktur ist nicht gut verstanden. Man braucht daher nicht nur die Daten von einer, sondern von mehreren Raumsonden, die im Sonnenwind unterwegs sind und das Magnetfeld des Sturms messen, während der Sonnensturm sich über die Raumsonde hinweg bewegt, vergleichbar mit einer Wetterstation auf der Erde. Wir hoffen daher auf Situationen, in denen interplanetare Raumsonden wie Parker Solar Probe, Solar Orbiter, BepiColombo, STEREO-Ahead oder Wind sich in geeigneten Abständen zueinander befinden und kurz hintereinander vom selben Sonnensturm getroffen werden. In Kombination mit unserem sehr schnell berechenbaren Modell des Sonnensturms war es uns möglich, besser einzugrenzen, wie diese Magnetfelder aufgebaut sind. Während des Projekts wurde die Raumsonde Solar Orbiter gestartet, die auch gleich zusammen mit der Merkur-Mission BepiColombo, als diese sich nahe der Erde befand, einen Sonnensturm gemessen hat. So konnten wir zeigen, dass für den Querschnitt des Sturms eine Ellipse mit einem Seitenverhältnis von eins zu zwei eine überraschend gute Näherung darstellt. Es war auch mit unserer neuen Methode möglich, das Modell zum ersten Mal überhaupt gleichzeitig an die Daten von mehreren Raumsonden anzupassen. Dies hat gezeigt, dass die Annahme einer starren kreisförmigen Achse des Sturms keine gute Näherung darstellt. Wir haben daher ein mathematisches Modell entwickelt, welches eine beliebig deformierbare Form des Sonnensturms erlaubt. Weiters konnten wir mit Simulationen zeigen dass es möglich sein sollte dass die Raumsonde Parker Solar Probe, die alle paar Monate sehr nahe zur Sonne fliegt, in den nächsten Jahren einen Sonnensturm zweimal beobachten könnte und damit die Hypothese der spiralförmigen Struktur der Magnetfelder endgültig bestätigen oder widerlegen sollte. Unsere Modelle, die eine Basis für eine verbesserte angewandte Weltraum-Wettervorhersage darstellen, sind auch die Grundlagen für die Anwendung auf Daten der Vigil Mission der ESA, welche gegen Ende der 2020er Jahre gestartet werden und einen dauerhaften Außenposten der Menschheit zum Schutz vor Sonnenstürmen darstellen wird.