Dieser Beitrag hier war eigentlich schon längst fällig und passt wunderbar zu diesem schönen Post von Christian im “Frischen Wind”.
Raumsonde(n): Solar TErrestrial RElations Observatory = STEREO.
Mission: Den Bereich zwischen der Sonne und der Erde mit zwei Augen und damit in 3D ansehen
Raumfahrtagentur: NASA
Start: 26.10.2006
Eigentlich handelt es sich bei STEREO um zwei Sonden, die jeweils “rechts” und “links” von der Erde in Richtung Sonne sehen. Kombiniert man die leicht unterschiedlichen Blickwinkel beider Satelliten, erhält man ein räumliches Bild. Aber nicht nur der Sonne selbst, sondern auch der Umgebung der Sonne. STEREO hat ein ganzes Set von Augen und Instrumenten an Bord:
- Je zwei Koronographen für den inneren und äußeren Bereich des Vorhofs der Sonne, die jeweils die Sonne aus dem Bild ausblenden, damit man die Korona drumherum sehen kann (COR1 und COR2. COR 2 wird übrigens von der amerikanischen Marine betrieben.).
- Je ein Auge im Extrem-UV (EUVI)
- Je ein Auge, das das weite Umfeld zwischen Sonne und Erde im Auge behält (HI).
- Dann gibt es noch den Radiowellenempfänger WAVES. Was es damit auf sich hat, erkläre ich später
Ein ganzes Paket weiterer Instrumente untersucht an Ort und Stelle den Sonnenwind. Sonnenwind ist dabei ein grober Oberbegriff für verschiedene Teilchen (vor allem Elektronen und Protonen aber auch Heliumkerne und schwerere Ionen), die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten daherkommen können. Das kann kein einziges Instrument alles abdecken.
- SWEA, STE und SEPT messen Elektronen. SEPT detektiert zusätzlich auch noch Protonen.
- SIT fischt schwere Ionen aus dem Sonnenwind.
- HET und LET decken ein weiteres Spektrum an Protonen, Helium-Kernen und schweren Ionen ab, auf welche die anderen Instrumente nicht so sensitiv sind.
- Last but not least hätten wir dann noch PLASTIC, das sich vor allem auf den ruhigen Sonnenwind zu konzentrieren scheint, während die anderen Instrumente besonders ein Auge auf die schnelleren bzw. energiereicheren Komponenten haben.
- Ein Magnetometer darf bei der enorm wichtigen Bedeutung des Magnetfeldes auf die Umgebung der Sonne nicht fehlen.
Bild: STEREO 1 und STEREO 2 kreisen mit der Erde um die Sonne. Die eine Sonde eilt der Erde voraus, die andere hinkt hinterher. Der Abstand zur Erde ist aber jeweils gleich groß aber verändert sich im Laufe der Zeit. Die Sonden driften von der Erde weg.
Driftende Augen
Überhaupt sind die Bahnen der Sonden recht interessant:
Bild (NASA): Links: Die Bahnen der Erde und STEREO von der Sonne aus gesehen. Die Bahn des einen Satelliten ist innerhalb der Erdbahn, die des anderen außerhalb. Rechts: Die Position von STEREO von der Erde aus. Die Sonden driften von der Erde weg. In 22 Jahren wird die eine Sonde die Erde überholt haben, während die andere von der Erde überholt wird. Hier kann man immer nachsehen, wo sich STEREO gerade befindet.
Im Moment befinden sich die Sonden fast in den beiden Lagrangepunkten L4 und L5 des kombinierten Gravitationsfeldes Erde + Sonne. Das sind semistabile Punkte, in denen sich die Anziehungskräfte zwischen Erde und Sonne genau gleich stark gegeneinander ziehen. Daher können Lagrangepunkte als Sammelbecken für so ziemlich allen “Müll” dienen, der so im Sonnensystem rumschwirrt. Asteroiden, Planetisimale etc. Allerdings nur für begenzte Zeit. Semistabil bedeutet, dass eine kleine Störung ausreicht, und das Objekt kullert schon wieder raus. Man könnte die Punkte als ziemlich flache Mülleimern ansehen. (Kommt jetzt aber bitte nicht auf die Idee, dass ich Asteroiden nicht schätzen würde. Es sei denn natürlich so ein Viech knallt mir auf den Kopf, zertrümmert mein Auto oder droht ganze Landstriche oder die Erde zu verwüsten. Dann bin ich verständlicherweise nicht so begeistert 😉
Das ist natürlich toll für die Wissenschaftler und die vielen Amateure, die sich mit der Kartierung von Asteroiden in Erdnähe beschäftigen. Was aus ganz verschiedenen Gründen sinnvoll ist. Zum einen kann man durch eine Asteroidenvolkszählung viel besser abschätzen, was den Planeten Erde treffen könnte und wie gefährlich das wäre und zum anderen sind Asteroiden Augenzeugen der Planetenentstehungsphase.
Eine interessante Hypothese: Theia als Erdtrojaner
Wenn man sich wirklich weit aus dem Fenster lehnen möchte – wie es die NASA letztens gemacht hat – könnte man drüber spekulieren, dass Theia ein Erdtrojaner war d.h. sich in den Lagrangepunkten bildete. Theia ist das etwa marsgroße Objekt, das vor Milliarden von Jahren gegen die Erde gekracht ist. Aus den Trümmerstücken der Kollision bildete sich unser Mond. Wenn das stimmt, dann könnten sich in einem der Lagrangepunkte noch Reste der Theia-Formation befinden, die es verpasst haben, sich an den Mutterkörper zu klumpen. Diese sollte man dann in den Kamerabildern sehen.
Ich kann ja verstehen, dass diese Hypothese viel hermacht, aber Bilder sind schön und gut. Was man wirklich bräuchte, um der Theia-im-Lagrangepunkt-Hypothese weiteres Gewicht zu verleihen, wäre eine Analyse der Zusammensetzung der Asteroiden dort und am besten noch der Isotopenverhältnisse. STEREO kann das nicht bringen. Allerhöchstens kann man die Asteroidenzählung mit den Formationsmodelle für Theia abgleichen und nachsehen, ob L4 und L5 überhaupt stabil genug sind, um einen marsgroßen Körper zu formen. Am allerbesten wäre es aber, Gestein und Staub einzufangen und entweder vor Ort oder auf der Erde zu analysieren.
Im Fokus: Weltraumwetter
Aber im Grunde ist die Asteroiden- und Kometenzählung sowieso Nebengeplänkel. Im Fokus der beiden STEREO-Augen liegt schon der Bereich unmittelbar um die Sonne. Denn da ist allerhand los.
Hier mal eine 3-D Rekonstruktion eines so genannten CMEs (Koronaler Masseauswurf). Dabei wölbt sich ein richtiggehender Bogen aus Plasma – ionisierte Atome – aus der Sonne heraus. Die Wissenschaftler vergleichen die Form mit einem Croissant. Nur besteht der nicht aus Blätterteig sondern aus magnetischen Feldlinien.
Magnetfelder als klebrige Spinnenfäden
Die Vermutung liegt recht nahe, dass durch kleine Explosionen auf der Sonne, Material d.h. Plasma nach außen geschleudert wird.
Ha! Denkste! Das arme Plasma ist nur der unfreiwillige Mitfahrer. In Wahrheit explodiert da was ganz anderes: Es ist eine magnetische Schlaufe, die aufgrund einer Instabilität des wahnsinnig variablen und chaotischen Magnetfeldes der Sonne ausbricht. Das elektrisch geladene Plasma hängt da nur wie an klebrigen Spinnenfäden fest und wird mitgerissen. Dieses Zusammenkleben von Magnetfeldlinien und Plasma wird in der Magnetohydrodynamik das “eingefrorene Feld” genannt. Ich find aber den Begriff “eingefroren” nicht so passend. Das impliziert “kalt” und “Eis”. Nun ist aber Plasma so ziemlich das Gegenteil von Eis und mit den Begriffen “heiß” und “kalt” sollte man bei einem Zustand im Quasi-Vakuum etwas vorsichtig hantieren. Zumindest in populärwissenschaftlichen Texten, weil das falsche Assoziationen auslösen kann. CMEs kann man nicht nur direkt über das leuchtende Plasma sehen, CMEs pflügen z.B. durch das die Sonne umgebende interplanetare Medium – sozusagen ein Meer aus Plasma – und lösen darin Schockwellen aus. Dabei entstehen Radiowellen, die STEREO-WAVES empfängt.
Bild: Eine haarige/chaotische Angelegenheit, das Magnetfeld der Sonne.
Explosionen auf der Sonne gibt es übrigens auch. Das sind die Sonneneruptionen oder Flares. Diese entstehen aber anders: Durch explosionsartige Freisetzung von Energie, wenn sich Magnetfeldlinienschlaufen ganz von der Sonne lösen. Man kann das ein wenig mit der Trennung eines verzwirbelten Gummis betrachten. Man zieht und zieht und zieht und irgendwann macht es *zing*(1) und an dem Punkt des größten Zugs schnüren sich die Magnetfeldlinien ein, kleben sich um und es enstehen zwei getrennte Schlaufen. Da der Zug auf einmal weg ist, schnellen die “Bänder” vom Einschnürpunkt zurück, wodurch sehr viel Energie frei wird. Auf der Sonne lösen diese einen charakteristischen Strahlungsaustoß vor allem im Röntgenbereich aus, die “wegfliegende Schlaufe” reißt Plasma mit sich und wandert von der Sonne weg.
Das *Zing* und das Umkleben der Magnetfeldlinien Rekonnektion. Auch hier ist das Magnetfeld der eigentliche Auslöser und nicht die Energie des Plasmas. Das wird wieder einfach mitgerissen. Tja, mitgehangen, mitgegangen. (Ok fein, ja, in der realen Welt gibt es keine selbst umklebenden Gummibänder. Das Band wäre einfach kaputt. Mit Analogien kommt man nicht immer bis ins Ziel und eine bessere fällt mir nicht ein.)
Bild: Die Entstehung einer Sonneneruption durch magnetische Rekonnektion von Feldlinien.
Halten wir also fest:
CMEs bilden Bögen mit einem äußeren und einem inneren Rand, die eine gewisse Zeit lang mit der Sonne verbunden bleiben, bis auch sie sich irgendwann abschnüren. Sonneneruptionen spucken eher diffuse Wolken aus Plasma aus und entstehen überhaupt erst durch eine Abschnürung.
Das zerknautsche Erdmagnetfeld
So jetzt geht es ans Eingemachte. Bis hierhin ist ja alles schön und gut, aber warum sollte das Max Mustermann irgendwie interessieren, wenn er nicht gerade sowieso eine Schwäche für Naturwissenschaft hat?
Bild: Sonne, Erde, Polarlicht. Der moderne Mensch ist gut beraten, neben dem Wetterbericht für die Erde auch den für das Weltall zu beachten. Zumindest in Zeiten hoher solarer Aktivität.
Alleine schon weil wir im Satellitenzeitalter leben. Wie bereits Christian darlegte: GPS, Telekommunikation, Wetter, Erdbeobachtungen (militärisch und zivil) alles im All wäre direkt verwundbar, wenn der magnetische Schutzschild der Erde unter Einschlägen von außen nachgibt. Ihr alle benutzt doch GPS, Handys und Google Earth, oder? Ich kann mich auch noch daran erinnern, das Interkontinentalflüge auf dem letzten Höhepunkt der Sonnenaktivität 2000/2001 gestrichen werden mussten. Weil die Strahlenbelastung in der Flughöhe einfach zu hoch war.
Das alles geschieht, wenn das Magnetfeld der Erde zusammengeknautscht wird, weil dichtes Plasma draufprallt. Besonders heftige Störungen nennt man geomagnetische Stürme. Sichtbar für den Menschen sind erstmal “nur” die besonders intensiven Polarlichter, die dann auch weiter südlich zu sehen sind. Weil geladene Teilchen in das Innere des Erdmagnetfeldes gebracht werden, die in der Erdatmosphäre die Luft zum Leuchten bringen. Diese werden allerdings nicht direkt, sondern eher nach hinten durch die Brust ins Auge zur Erde gebracht.
Ein Film sagt mehr als tausend Worte:
Wie Ihr seht, ist schon wieder magnetische Rekonnektion an allem schuld: Magnetfeldlinien hinter der Erde – von der Sonne aus gesehen – werden auseinandergezogen, verbinden sich mit anderen Magnetfeldllinien und trennen sich dann plötzlich am Knotenpunkt auf, um dann zurückschnellen, was wiederum Elektronen z.B. Richtung Erde schleudert, die wiederum in die Erdatmosphäre eintauchen und Polarlichter erzeugen, wie man am Ende des Videos oben sehen konnte.
Diese Elektronen sind natürlich für Satelliten erst mal ziemlich direkt schädlich. Außerdem führen die zusätzlichen Teilchen zu einem Anstieg der Höhenstrahlung. Die Elektronen knallen auf die Erdatmosphäre und wie in einem natürlichen Teilchenbeschleuniger entstehen dabei wahre Kaskaden an Strahlung und anderen Teilchen. Übrigens würde ich zwischen “Kosmischer Strahlung” und “Höhenstrahlung” unterscheiden. Was Wikipedia anscheinend nicht tut. Kosmische Strahlung ist nach meinem Dafürhalten alles an Strahlung und Elementarteilchen, was auf die Erde einströmt. Höhenstrahlung wiederum ist aber die Sekundärstrahlung, die beim Aufprall der Kosmischen Strahlung auf die Lufthülle entsteht. Das ist eben nicht dasselbe. Aber egal, wie man es definiert: Zuviel Höhenstrahlung kann fliegenden Menschen schaden. Deswegen trägt das Flugpersonal Dosimeter bei sich. Und bei Interkontinentalflügen ist die Strahlenbelastung selbst an “normalen” Tagen sogar höher als bei einer modernen Röntgenaufnahme. Wer bereits Röntgen als zu belastend für den Körper ansieht, sollte also niemals nach New York fliegen.
Bei leitenden Materialien kommt jetzt ein weiterer Effekt hinzu. Auf einmal befindet sich jeder Leiter dieser Welt und auch um diese Welt herum in einem hochvariablen Magnetfeld. Und was passiert mit Leitern, wenn sich das Magnetfeld zeitlich ändert? Das gibt elektromagnetische Induktion bzw. Strom. Strom, der an Stellen fließt, wo gar keiner fließen sollte, Strom, der für empfindliche Bauteile zu stark ist und diese zum Durchschmelzen bringen kann (Animation: Geomagnetisch induzierte Ströme in einer finnischen Erdgaspipeline. Wenn man darauf nicht achtet, korrodiert einem die Pipeline weitaus schneller durch als sie es eigentlich sollte. Erdgas- oder Erdöllecks sind nicht so witzig.)
“Löcher” in der Sonne speihen schnellen Sonnenwind
Neben durch CMEs ausgelösten Magnetstürmen, die sporadisch und unvorhergesehen auftreten, gibt es auch noch regelmäßig alle 27 Tage auftretende Stürme (recurrent geomagnetic storms). Die aber überwiegend zu Zeiten abnehmender solarer Aktivität.
Sie entstehen durch dichte Plasmabänder und diese wiederum entstehen, wenn schnelle Sonnenwinde auf langsame auflaufen. Jepp, es gibt unterschiedlich schnelle Sonnenwinde, die aus unterschiedlichen Bereichen der Sonne gespeist werden. Der schnelle Sonnenwind wird aus so genannten “Koronalen Löchern” ausgespiehen, die als ausgedehnte dunklere weil kühlere Bereiche auf der Sonne sichtbar sind. Je aktiver die Sonne, desto mehr koronale Löcher treten auf. Und nein es handelt sich dabei nicht um Sonnenflecken. Das ist was ganz anderes.
Bild: Zusammenhang Magnetfeldlinien und Koronale Löcher (B). In diesem Fall stehen die Feldlinien senkrecht auf der Sonne und erstrecken sich weit in den Raum und bilden damit eine regelrechte Autobahn für Plasma: Freie Fahrt für schnelles Plasma.
Dieser schnelle Sonnenwind trifft dann irgendwann auf langsamere Sonnenwindströmungen, so dass das Plasma dieser beiden Bereiche komprimiert wird. Da sich die Sonne dreht und die Magnetfeldlinien immer noch mit der Sonne verbunden sind, rotieren diese Bänder dichten Plasmas von der Erde aus gesehen mit der Umlaufperiode der Sonne alle 27 Tage an der Erde vorbei.
Eine Reihe offener Fragen
Lösen Sonneneruptionen auch geomagnetische Stürme aus? Hmm, gute Frage. Wenn ich meinem Prölss “Physik des erdnahen Weltraums” glaube, wohl eher nicht. Auch wenn man das wohl lange Zeit annahm.
Auch ein zeitlicher oder gar kausaler Zusammenhang zwischen Sonneneruptionen und CMEs wird wohl noch diskutiert. Klar ist allerdings: Beide Prozesse werden durch Magnetfeldaktivität ausgelöst und beide hängen von der Aktivität der Sonne ab. D.h. die Häufigkeit ihres Auftretens variiert mit der typischen 11 Jahre-Periode. Im Moment ist ziemlich Ruhe. Aber die Aktivität sollte jetzt mal so langsam wieder ansteigen.
Und STEREO wird hoffentlich bereit stehen und die nächsten Jahre auch noch durchhalten.
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(1) Das *Zing* bitte nicht zu wörtlich nehmen. Natürlich hört man im Vakuum nichts. Es dient lediglich zur Veranschaulichung.
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