Seit es im Jahr 2010 ins Leben gerufen, Das Solar Dynamics Observatory hat Wissenschaftlern geholfen zu verstehen, wie das Magnetfeld der Sonne erzeugt und strukturiert wird und was Sonneneruptionen verursacht. Eines der Hauptziele der Mission war es, Vorhersagen zur Vorhersage der Aktivität auf der Sonne zu erstellen.
Unter Verwendung von Missionsdaten der letzten 10 Jahre haben SDO-Wissenschaftler nun ein neues Modell entwickelt, das sieben der größten Sonneneruptionen des letzten Sonnenzyklus von neun erfolgreich vorhersagte.
Das Team sagt, dass das Modell mit weiterer Entwicklung verwendet werden könnte, um Vorhersagen dieser intensiven Sonnenstrahlung zu treffen, die das Leben auf der Erde beeinflussen und unsere technologischen Systeme beeinflussen können.
Unter der Leitung von Kanya Kusano, dem Direktor des Instituts für Weltraum-Erde-Umweltforschung an der japanischen Universität Nagoya, baute ein Team von Wissenschaftlern ein physikbasiertes Modell, das sie K-Schema nennen, um große Sonneneruptionen vorherzusagen. Sie basierten das Modell auf einer magnetischen Karte, die aus SDOs Beobachtungen von Magnetfeldern auf der Sonnenoberfläche erstellt wurde.
Eine Animation des massiven Sonnenpots AR 2192, der vom 17. bis 29. Oktober 2014 die erdwärts gerichtete Seite der Sonne überquert. Bildnachweis: NASA/SDO.
Flares brechen an heißen Stellen magnetischer Aktivität auf der Sonnenoberfläche aus, die als aktive Region bezeichnet werden. Im sichtbaren Licht erscheinen sie als Sonnenflecken, kleine dunkle Flecken, die eher zufällig auf der Sonne erscheinen. Aber das neue Modell funktioniert, indem es Schlüsselmerkmale in einer aktiven Region identifiziert, Merkmale, die nach Theorie der Wissenschaftler notwendig sind, um eine massive Flare auszulösen.
Sie analysierten die größten Flares, bekannt als Flares der X-Klasse von 2008 bis 2019 (während des Sonnenzyklus 24), und bei der Betrachtung aller Daten, die zu diesen Flares führten, konnte ihr neues Modell die meisten bevorstehenden großen Sonneneruptionen vorhersagen, mit eine kleine Anzahl von Ausnahmen für begrenzte Fackeln.
„In den meisten Fällen identifiziert die Methode korrekt, welche Regionen innerhalb der nächsten 20 Stunden große Fackeln produzieren werden“, schrieb das Team in seiner Arbeit. veröffentlicht in der Zeitschrift Science am 30. Juli 2020. „Die Methode liefert auch den genauen Ort, an dem jede Fackel beginnt, und begrenzt ihre Stärke.“
Eine starke Sonneneruption der X-Klasse, die am 6. Juli 2012 auf der Sonne ausbricht, fotografiert von den Solar Dynamics Observers. Bildnachweis: NASA
Genaue Vorhersagen von Sonneneruptionen könnten die Vorhersagen der Weltraumwetterbedingungen um die Erde verbessern. Eine genaue Vorhersage dieser Sonnenereignisse kann uns helfen, Satelliten im Orbit um unseren Planeten und Stromnetze rund um den Globus zu schützen.
Was verursacht diese Flares? „Wir schließen daraus, dass die magnetische Verdrehungsflussdichte nahe einer magnetischen Polaritätsumkehrlinie auf der Sonnenoberfläche bestimmt, wann und wo Sonneneruptionen auftreten und wie groß sie sein können“, schrieb das Team.
Sonneneruptionen, insbesondere solche der X-Klasse, setzen riesige Energiemengen frei. Vor einer Eruption ist diese Energie in verdrehten magnetischen Feldlinien enthalten, die instabile Bögen über der aktiven Region bilden. Laut den Wissenschaftlern sind stark verdrehte seilartige Linien eine Vorstufe für die größten Sonneneruptionen.
Mit genügend Drehung können sich zwei benachbarte Bögen zu einem großen, doppelhöckrigen Bogen verbinden – der wie ein abgerundetes „M“ aussehen könnte. Dies ist ein Beispiel für die sogenannte magnetische Wiederverbindung, und das Ergebnis ist eine instabile magnetische Struktur, die die Freisetzung einer Energieflut in Form eines Flares auslösen kann.
'Es ist ähnlich wie bei einer Lawine', sagte Kusano in a Pressemitteilung der NASA. „Lawinen beginnen mit einem kleinen Riss. Wenn der Riss an einem steilen Hang hoch ist, ist ein größerer Crash möglich.“ In diesem Fall ist der Riss, der die Kaskade startet, eine magnetische Wiederverbindung. Wenn in der Nähe der Grenze eine Wiederverbindung stattfindet, besteht die Möglichkeit eines großen Aufflackerns. Weit weg von der Grenze ist weniger Energie verfügbar, und ein aufkeimender Flare kann verpuffen – obwohl die Sonne, wie Kusano betonte, immer noch eine schnelle Wolke aus Sonnenmaterial entfesseln könnte, die als koronaler Massenauswurf bezeichnet wird.
Das Team berichtete, dass ihr neues Modell ihnen einige falsch positive und falsch negative Ergebnisse lieferte, aber sie arbeiten daran, das k-Schema-Modell zu verfeinern. Die beiden Flares, die das Modell nicht berücksichtigte, waren laut Kusano Ausnahmen vom Rest: Im Gegensatz zu den anderen war die aktive Region, aus der sie explodierten, viel größer und verursachte keinen koronalen Massenauswurf zusammen mit dem Flare.
Die Sonne durchläuft natürlich einen 11-Jahres-Zyklus, in dem die Sonne von Perioden hoher zu niedriger Aktivität und wieder zurück zu hoch übergeht. Im letzten Sonnenzyklus gab es etwa 50 Flares der X-Klasse. Wenn sie auf die Erde gerichtet sind, können diese großen Fackeln GPS-Signale und Funkkommunikation sowie den Betrieb des Stromnetzes stören und alle Astronauten im Weltraum gefährden.
SDO nimmt Bilder und Videos der Sonne in mehreren Wellenlängen auf, nimmt alle 0,75 Sekunden Bilder auf und sendet jeden Tag etwa 1,5 Terabyte an Daten zur Erde zurück – das entspricht dem Herunterladen von 380 Filmen in voller Länge täglich.
Künstlerische Darstellung der Feldlinien der Sonne, basierend auf Daten, die vom SDO gesammelt wurden. Bildnachweis: NASA/GSFC/Solar Dynamics Observatory
Die dynamischen Prozesse der Sonne wirken sich auf jeden und alles auf der Erde aus. Neben der Erforschung der Sonne hat SDO ein besseres Verständnis der Rolle der Sonne für die Atmosphärenchemie und das Klima der Erde ermöglicht.
'Vorhersagen sind ein Hauptziel des Living with a Star-Programms und der Missionen der NASA', sagte Dean Pesnell, der SDO-Hauptforscher am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, der nicht an der Studie teilnahm. „Genaue Vorläufer wie dieser, die signifikante Sonneneruptionen vorhersagen können, zeigen den Fortschritt, den wir bei der Vorhersage dieser Sonnenstürme gemacht haben, die jeden treffen können.“
Während es viel mehr Arbeit und Validierung braucht, um Modelle so weit zu bringen, dass sie Vorhersagen machen können, auf die Betreiber von Raumfahrzeugen oder Stromnetzen reagieren können, bietet das neue Modell identifizierbare Bedingungen, die zu einer großen Flare führen. Kusano sagte, er freue sich, zu den Bemühungen beizutragen, zuverlässige Vorhersagen für Sonneneruptionen zu haben.
