Unsere Sonne ist, wie viele Sterne, mit einer Krone geschmückt. Sie wird Korona (lateinisch für „Krone“ oder „Kranz“) genannt und besteht aus langen, fadenförmigen Plasmasträngen, die aus der Sonnenoberfläche herausquellen. Das starke Magnetfeld der Sonne definiert diese Stränge und sorgt dafür, dass sie sich kräuseln und ihre Strukturen ständig weiterentwickeln. Die Stränge sind jedoch schwach, sodass die Korona mit bloßem Auge nur während einer totalen Sonnenfinsternis beobachtet werden kann.
Im Vorgriff auf die Sonnenfinsternis am 8. April 2024 nutzen Wissenschaftler von Predictive Science Daten des Solar Dynamics Observatory (SDO) der NASA, um vorherzusagen, wie die Krone unserer Sonne an diesem Tag aussehen könnte. Darüber hinaus nutzt ihr Modell die Rechenleistung des Pleiades-Supercomputers der NASA, um seine Vorhersagen nahezu in Echtzeit zu aktualisieren. Das bedeutet, dass das Modell seine Vorhersagen kontinuierlich aktualisiert, während es die von SDO übertragenen Daten aufnimmt und Informationen so zeitnah wie möglich liefert.
Die Sonnenkorona ist die äußere Atmosphäre unseres Sterns. Es „reicht als Sonnenwind in den interplanetaren Raum hinein“, sagte Jon Linker, Präsident von Predictive Science. Angetrieben durch Hitze und magnetische Turbulenzen in der Sonne bläst dieser Wind bis an die Ränder des Sonnensystems.
„Es umhüllt die Planeten“, sagte Linker, „einschließlich der Erde.“
Während die Erde und andere Planeten im koronalen Ausfluss baden, reagieren ihre Atmosphären auf die energiereichen Teilchen und Magnetfelder im Sonnenwind. Diese als Weltraumwetter bezeichnete Reaktion kann, genau wie das Wetter auf der Erde, von leicht bis schwerwiegend reichen. Extreme Weltraumwetterereignisse wie große Sonneneruptionen, sogenannte koronale Massenauswürfe, können wichtige Kommunikationstechnologien stören, Astronauten im Orbit beeinträchtigen oder sogar die Stromnetze beschädigen, auf die wir alle angewiesen sind.
Das Weltraumwetter ist einer der greifbarsten Auswirkungen der dynamischen äußeren Erscheinung der Sonne, und Wissenschaftler streben danach, genaue Vorhersagen zu erstellen. Laut Linker trägt die Verfeinerung dieser Solarmodelle dazu bei, die Grundlage für Prognosen zu schaffen.
„Wenn man den Weg eines koronalen Massenauswurfs vorhersagen will, genau wie bei einem Hurrikan, ist es wirklich wichtig, diesen genaueren Hintergrund zu haben“, sagte er.
Die Sonne befindet sich in der Nähe der maximalen Phase des Sonnenzyklus, sodass sich das solare Magnetfeld schnell entwickelt. Dieses Vorhersagemodell wird nahezu in Echtzeit mit den neuesten Messungen des Oberflächenmagnetfelds aktualisiert. Diese Animation zeigt, wie sich die Sonne und die Vorhersage mit der Zeit entwickeln. Bildnachweis: Predictive Science Inc.
SDO und andere Sonnenobservatorien liefern detaillierte Erkenntnisse über die Korona, den Wissenschaftlern fehlen jedoch noch einige wichtige Informationen über die Kräfte, die ihre Aktivität antreiben, die für eine präzise Vorhersage des Auftretens der Korona erforderlich sind. „Wir haben keine Möglichkeit, das Magnetfeld in der Korona genau zu messen“, sagte Emily Mason, Forscherin bei Predictive Science. „Das ist eines der Dinge, die dies so herausfordernd machen.“
Um ihr Modell zu erstellen, nutzen Forscher von Predictive Science Messungen des sich ändernden Magnetfelds der Sonne an der Sonnenoberfläche, um ihr Modell nahezu in Echtzeit zu steuern. Ein Schlüssel zu dieser Innovation war die Schaffung eines automatisierten Prozesses, der Rohdaten von SDO umwandelt, um zu zeigen, wie magnetischer Fluss und Energie im Laufe der Zeit in die Korona injiziert werden. Wenn man diese Dynamik in das Modell einbezieht, kann sich die Korona im Laufe der Zeit weiterentwickeln und zu Sonneneruptionen führen.
„Wir haben eine Software-Pipeline entwickelt, die die Magnetfeldkarten aufnahm, alle Bereiche auswählte, die mit Energie versorgt werden sollten, und dann die Energiemenge fein abstimmte, die diesen Bereichen hinzugefügt werden sollte“, sagte Mason. Der Bau dieser automatischen Pipeline war für das Team ein großer Fortschritt. In früheren Vorhersagen verwendete das Modell eine statische Momentaufnahme des Oberflächenmagnetfelds – nicht ideal, um mit der sich ständig verändernden Sonne Schritt zu halten, insbesondere während unserer aktuellen erhöhten Sonnenaktivität.
In ähnlicher Weise erklärte Mason in Iterationen aus den Jahren 2017 und 2021, dass ein Teamkollege „im wahrsten Sinne des Wortes von Hand zeichnete, welche Bereiche auf der Sonne mit Energie versorgt werden mussten“, indem er die extreme ultraviolette Aktivität in bestimmten Regionen analysierte. Die kontinuierliche Aktualisierung des Magnetfelds ist von zentraler Bedeutung für alle Änderungen am diesjährigen Modell, und das Team setzt große Hoffnungen in die Ergebnisse.
Das Wiederauftreten totaler Sonnenfinsternisse bietet Möglichkeiten, die Genauigkeit ihrer Modelle unter realen Bedingungen zu testen und sie entsprechend zu aktualisieren. „Wir haben die Finsternisvorhersagen jedes Mal genutzt, um etwas Neues mit dem Modell zu machen“, sagte Cooper Downs, ein Forschungswissenschaftler bei Predictive Science, der die automatisierte Modellierungspipeline orchestrierte. „Ich bin wirklich gespannt, wie sich diese Vorhersage in den nächsten zwei Wochen weiter verbessert. Ich denke, es wird ein wirklich drastischer Unterschied zu dem sein, was wir früher tun konnten.“
Mason teilt seine Begeisterung.
„Die Sonnenfinsternis ist einfach eine fantastische Gelegenheit zu sagen: ‚Schau dir das an. So denken wir, dass es aussehen wird! Willst du nicht mehr darüber erfahren?‘“, sagte sie mit einem Grinsen. „Es ist eine wirklich aufregende Gelegenheit für uns, die Dinge, die uns das ganze Jahr über begeistern, mit allen anderen zu teilen.“