Dynamische Entwicklung von koronalen Massenauswürfen in der Heliosphäre

Die Sonne ist ein aktiver Stern und ihre heftigsten Aktivitäts-Phänomene sind bekannt als koronale Massenauswürfe (engl: coronal mass ejections, CMEs) und solare Flares. CMEs stellen eine abrupte Störung im kontinuierlichen Fluss des Sonnenwindes dar und reißen große Mengen an magnetisiertem Plasma mit sich in den interplanetaren Raum mit Geschwindigkeiten von mehreren hundert bis tausend km/s. Wird ein CME Richtung Erde geschleudert, so kommt es zu Störungen und Kompressionen des Erdmagnetfelds, sogenannte geomagnetische Stürme. Darüber hinaus beeinflussen CMEs empfindlich unser modernes Leben. Besonders schnelle und massive CMEs können Schäden an Kommunikations- und Navigationssatelliten bewirken und können auf der Erde Ströme induzieren, welche im Extremfall Stromkraftwerke außer Betrieb setzen. Die sich verändernden Bedingungen unseres erdnahen Weltraums und ihre Auswirkungen sind seit einiger Zeit unter dem Begriff "Space Weather" bekannt. Durch die zunehmende wirtschaftliche Nutzung sowie Abhängigkeit von der Weltraumtechnologie wird es daher immer wichtiger, unser Wissen über den erdnahen Weltraum zu vertiefen. Nur so können wir in naher Zukunft das Space Weather vorher sagen. Ein einzelner Satellit vermag die ausgedehnten drei-dimensionalen Strukturen eines CMEs nur als zwei- dimensionales Objekt auf den Himmelshintergrund abzubilden. Die Geometrie, Ausbreitungsrichtung und - geschwindigkeit eines CMEs können somit nicht erfasst werden, womit eine Vorhersage des Space Weathers schwierig bleibt. Die einzigartige NASA Mission Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO), gestartet im Oktober 2006, besteht aus zwei nahezu identischen Satelliten (STEREO-Ahead und STEREO-Behind) welche sich kontinuierlich auseinander bewegen. Damit ist es uns zum ersten Mal möglich, CMEs in ihrer Drei-Dimensionalität zu erfassen. Darüber hinaus ist STEREO mit einer optischen Instrumentensammlung (SECCHI) ausgestattet, die es uns erlaubt, CMEs auf ihrem gesamten Weg von der Sonne bis zur Erde und darüber hinaus zu verfolgen. Das Ziel dieses Projektes ist es, die gesamte Entwicklung von CMEs über die Distanz Sonne - Erde, sowie ihre Wechselwirkung mit dem sie umströmenden Sonnenwind zu studieren. Um schlüssige Resultate zu erhalten, ist neben detaillierten Einzeluntersuchungen eine statistische Analyse geplant. Der Datensatz umfasst CMEs, die während der Minimums- und Anstiegsphase des derzeitigen Sonnenaktivitätszyklus beobachtet wurden. Die Ergebnisse aus der Studie sind wichtig, um Modelle, welche der Vorhersage der Ankunftszeit eines CMEs bei der Erde dienen, zu verbessern. Wie sich einzelne Modellparameter zu den Beobachtungen verhalten konnte bisher nicht systematisch untersucht werden, da es kaum Beobachtungen von CMEs in der inneren Heliosphäre gab. Mit STEREO können wir erstmalig diesen wichtigen Schritt bewältigen.

Wir leben in der Nachbarschaft eines aktiven Sterns, der Sonne. Sonnenaktivität kann sich sehr dynamisch zeigen, in Form von energiereichen Strahlungsblitzen (Flares) oder Masse die aus der Sonnenkorona ausgeworfen wird (koronaler Massenauswurf: KMA). KMAs sind riesige Wolken aus magnetisiertem Plasma welches von der Sonne in den interplanetaren Raum geschleudert wird, wobei Geschwindigkeiten von einigen hundert bis tausenden von km/s(!) erreicht werden können. Überqueren KMAs die Erde, können sie, aufgrund des Magnetfeldes das sie innehaben sowie vorlauslaufenden Schockwellen, geomagnetische Stürme auslösen. Diese können einen Ausfall von Satellitennavigations-/kommunikations-systemen bewirken oder auf der Erde sogar Ströme induzieren und Kraftwerke lahm legen. Das Projekt Dynamische Entwicklung von koronalen Massenauswürfen in der Heliosphäre konnte wichtige Beiträge liefern, um die physikalischen Prozesse der Entwicklung von KMAs und ihre Auswirkungen auf die Erdatmosphäre besser zu verstehen. Um das Ausbreitungsverhalten von KMAs im interplanetaren Raum eingehend zu studieren, benutzten wir die beispiellosen Bilddaten der NASA Mission STEREO. Durch Vergleiche des umgebenden Sonnenwindes, der aus analytischen sowie numerischen Modellen berechnet wurde, und der Kinematik von KMAs, haben wir heraus gefunden, dass der Sonnenwind die Entwicklung von KMAs stark beeinflusst. Schnelle Sonnenwindströme sind in der Lage auch in weiter Distanz von der Sonne KMAs zu beschleunigen. Auf der anderen Seite vermögen langsame KMAs, die sich vor schnellen ausbreiten, den schnellen KMA abrupt abzubremsen. Unter gewissen Umständen kann ein KMA aber auch die Dichte des Plasmas reduzieren und so den Weg frei machen für nachfolgende Auswürfe. Diese Ergebnisse zeigen, dass umfassendere Untersuchungen notwendig sind um die Plasmaparameter im interplanetaren Raum zu erfassen. Erst wenn wir die Struktur des umgebenden Sonnenwindes kennen, werden wir die entscheidende Information haben um die Ankunftszeit von KMAs an der Erde vorher zu sagen. Der Einfluss von KMAs auf die Erdatmosphäre wurde für eine große Anzahl an Auswürfen während des Zeitraums 2003-2010 statistisch analysiert. Daraus erhielten wir eine starke Korrelation zwischen der Dichteerhöhung der Thermosphäre und der Magnetfeldstärke sowie Geschwindigkeit eines KMA. Messungen von KMA Charakteristiken, bereits 1h bevor sie bei der Erde eintreffen, würden uns daher erlauben Effekte des Orbitabfalls von Satelliten abzuschätzen, die sich aufgrund der erhöhten Dichte in der Thermosphäre ergäben. Diese Resultate werden auch physikalische Modelle unterstützen um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Vorhersagen der Weltraumwetterstörungen in der oberen Erdatmosphäre weiter zu verbessern.