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Was wir aus der Sonnenfinsternis bei #AGU17 gelernt haben 



Artikel übernommen von Watts up with that

Am 11. Dezember 2017, auf der AGU 2017, diskutierten sechs Forscher erste Ergebnisse, die auf Beobachtungen der Sonne und der Erde beruhen, die während der Sonnenfinsternis gesammelt wurden, die sich am 21. August 2017 über Nordamerika erstreckte. Von neuen Informationen über die Art und Weise, wie die Atmosphäre der Sonne Wärme erzeugt, über die Auswirkungen der Sonneneinstrahlung auf die Erdatmosphäre bis hin zum Schutz vor der Kontaminierung anderer Planeten mit Bakterien, teilten die Forscher ihre Ergebnisse auf der Herbsttagung der American Geophysical Union in New Orleans mit.

Diese Sonnenfinsternis gab uns die Möglichkeit, die Idee der Verbindung zwischen Sonne und Erde zu festigen", sagte Lika Guhathakurta, die die wissenschaftlichen Bemühungen der NASA für die Sonnenfinsternis vom 21. August leitete. Diese Finsternis ermöglichte eine Vielzahl neuer Beobachtungen, Instrumente und Beobachtungsplattformen.  Es wird faszinierend sein zu beobachten, wie sich daraus neue Forschungspläne und neue Technologien für die zukünftige Nutzung entwickeln.

Ein Moment in der Atmosphäre der Sonne
Während totale Sonnenfinsternisse etwa einmal alle 18 Monate irgendwo auf der Erde stattfinden, war die Augustfinsternis auf ihrem langen Weg über Land selten: Die totale Finsternis dauerte insgesamt etwa 90 Minuten, von der ersten Ankunft an der Küste von Oregon bis zum Verlassen des nordamerikanischen Festlandes in South Carolina. Dieser lange, ununterbrochene Weg über Land bot Wissenschaftlern eine seltene Gelegenheit, die Sonne und ihren Einfluss auf die Erde auf eine Art und Weise zu untersuchen, die normalerweise nicht möglich ist.

In den wenigen Momenten einer totalen Sonnenfinsternis ist die Korona der Sonne - sonst zu dunkel, um sie neben ihrem hellen Antlitz zu sehen - von der Erde aus sichtbar. Wir untersuchen die Korona aus dem Weltraum mit Instrumenten, die Coronagraphen genannt werden, die künstliche Finsternisse erzeugen, indem sie mit einer Metallscheibe das Antlitz der Sonne ausblenden.

Aber die innersten Regionen der Korona der Sonne in weißem Licht sind nur während der totalen Sonnenfinsternisse sichtbar. Wegen einer Eigenschaft des Lichts, die Beugung genannt wird, muss die Scheibe eines Koronagraphen sowohl die Sonnenoberfläche als auch einen großen Teil der Korona ausblenden, um scharfe Bilder zu erhalten. Aber weil der Mond so weit von der Erde entfernt ist - etwa 230.000 Meilen entfernt während der Augustfinsternis - ist Beugung kein Thema, und Wissenschaftler können die untere Korona sehr genau messen.

Zwei Wissenschaftler sprachen bei der Pressekonferenz über ihre Forschungen zur Korona: Amir Caspi, ein Raumforscher am Southwest Research Institute in Boulder, Colorado, und Matt Penn, vom National Solar Observatory. Die Untersuchung der Korona unserer Sonne bietet die Gelegenheit, sowohl zu verstehen, was ihre intensive Hitze antreibt, als auch unsere Fähigkeit zu verbessern, vorauszusagen, wann die Sonne mit riesigen Explosionen von solarem Material, den so genannten koronalen Massenauswürfen, ausbrechen könnte, die unsere Weltraumumgebung beeinflussen können und - wenn sie intensiv sind - Satelliten beeinflussen.

Wie Caspi erklärte: Je nach Standort am Boden konnte jemand, der die Sonne während der Sonnenfinsternis vom 21. August studiert, Daten von bis zu 2 Minuten und 42 Sekunden sammeln. Doch Caspi''''s Projekt, das von der NASA finanziert wurde, ließ sich von früheren Eclipse-Studien inspirieren, um diese Zeit noch weiter auszudehnen. Mit einem Paar NASA-WB-57-Jets hatten Caspi und sein Team einen ununterbrochenen Blick auf die Sonnenkorona für etwas mehr als siebeneinhalb Minuten.

Obwohl sie ursprünglich für die Überwachung von Space Shuttle-Starts entwickelt wurden, waren die Teleskope - und die Jets, auf denen sie montiert waren - ein überraschender Segen für die Solarwissenschaft.

Diese Instrumente wurden nicht für die Wissenschaft gebaut, sondern für die Wissenschaft neu eingesetzt", sagt Caspi. "Dies war das erste luftgestützte Astronomieprojekt auf der WB-57-Plattform."

 

Ein Team von NASA-geförderten Wissenschaftlern unter der Leitung von Amir Caspi vom Southwest Research Institute verwendete Teleskope, die auf einem Paar NASA-Jets montiert waren, um die Beobachtungszeit der Sonnenkorona zu verlängern, die hier im sichtbaren Licht grüner Wellenlängen zu sehen ist.
Impressum: NASA/SwRI/Amir Caspi/Dan Seaton

Diese nachgerüstete Wissenschaft macht die Datenanalyse umso schwieriger, als die Bilder sorgfältig aufbereitet und kalibriert werden müssen, um wichtige Details über die magnetischen Wellen der Sonne und ihre Beziehung zu den außergewöhnlich hohen Temperaturen in der Sonnenkorona zu enthüllen.

Matt Penn nutzte auch den Weg der Finsternis über Land, um eine einzigartige Sammlung von Beobachtungen zu erhalten. Das Citizen CATE Projekt - kurz für Continental-America Telescopic Eclipse - besteht aus 68 identischen kleinen Teleskopen, die über den Pfad der Totalität verteilt sind und von Bürgern und Studenten betrieben werden.

Als der Schatten des Mondes eines unserer Teleskope verließ, bedeckte er das nächste in unserem Netzwerk", sagte Penn. "Anstatt zweieinhalb Minuten zu beobachten, könnten wir 93 Minuten beobachten."

Während der Finsternis gelang es 61 der 68 Teleskope des Projekts, koronale Bilder aufzunehmen, was 82 Minuten der gesamten Beobachtungszeit aus den 93 Minuten, in denen die totale Sonnenfinsternis über Land war, entspricht. Dieser Erfolg bedeutet, dass das Team eine riesige Datenmenge analysieren muss - obwohl Penn sagt, dass sie in der Lage waren, detaillierte Bilder von den Solarfunktionen zu machen, die sie am meisten interessierten: Schneller Sonnenwind fließt in der Nähe des Nord- und Südpols der Sonne.

Erkundung der Verbindung zwischen Sonne und Erde
Andere Wissenschaftler präsentierten auf dem Briefing Ergebnisse über den Einfluss der Finsternis in der näheren Umgebung. Hoch in der oberen Erdatmosphäre, oberhalb der Ozonschicht, erzeugt die intensive Strahlung der Sonne eine Schicht aus elektrifizierten Teilchen, die Ionosphäre genannt wird. Dieser Bereich der Atmosphäre reagiert auf Veränderungen sowohl von der Erde unten als auch vom Weltraum oben. Solche Veränderungen in der unteren Atmosphäre oder im Weltraumwetter können sich als Störungen in der Ionosphäre manifestieren, die Kommunikations- und Navigationssignale stören können.

Greg Earle von Virginia Tech nutzte die Sonnenfinsternis als natürliches Labor, um Modelle der Auswirkungen der Ionosphäre auf diese Kommunikationssignale zu testen. Earle und sein Team nutzten Computermodelle, um abzuschätzen, wie sich die Finsternis auf die Funksignale auswirken würde - in erster Linie, wie weit sie durch die Atmosphäre reisen könnten, bevor sie sich verflüchtigen. Sie prognostizierten, dass die Finsternis die Reichweite der Funksignale erweitern würde, weil die Anzahl der energetisierten Teilchen in der Ionosphäre sinkt, ähnlich wie in der Nacht. Und sie hatten Recht.

Die Daten waren eine Bestätigung dafür, dass unsere Modellierung auf dem richtigen Weg war", so Earle. "Während der Finsternis verbreiteten sich Funksignale viel, viel weiter als an einem normalen Tag."

 

Die Ionosphäre ist der Bereich der Erdatmosphäre, in dem Teilchen geladen werden, und sie wird sowohl durch das Wetter der Erde von unten als auch durch das Weltraumwetter von oben beeinflusst. Viele Kommunikationssignale passieren die Ionosphäre, so dass Veränderungen in dieser Region diese Signale stören können. Greg Earle von Virginia Tech leitete ein von der NASA finanziertes Team, um die Sonnenfinsternis als natürliches Labor zu nutzen, um die Reaktion der Ionosphäre auf veränderte Bedingungen und ihre Auswirkungen auf Funksignale zu untersuchen.
Impressum: NASA Goddard/Genna Duberstein/CIL/Krystofer Kim

Earle und sein Team benutzten eine Litanei von Funksendern und -empfängern, um die Reichweite der Funksignale während der Finsternis zu testen: Zwei bereits existierende Radarstationen, vier speziell angefertigte Antennenstandorte und Berichte von Tausenden von Amateurfunkern aus ganz Nordamerika, die ihre Beobachtungen im Rahmen eines Wettbewerbs, der in Zusammenarbeit mit der American Radio Relay League organisiert wurde, freiwillig zur Verfügung stellten.

Die Validierung dieses Modells der Ionosphäre ist ein Schritt zum Verständnis weniger vorhersehbarer Veränderungen in der Ionosphäre, die sich auf die Zuverlässigkeit unserer Kommunikations- und Navigationssignale auswirken können.

Angela Des Jardins von der Montana State University sprach beim Briefing über das Eclipse Ballooning Project, das während der Finsternis Ballons durch die untere Erdatmosphäre flog. Wenn Sie die Sonnenfinsternis online am 21. August gesehen haben, könnten einige der Live-Aufnahmen, die Sie gesehen haben, von diesen Ballons stammen. Die Ballons, die von 55 Teams aus College- und Gymnasiasten auf über 100.000 Fuß Höhe geflogen wurden, lieferten erstmals Live-Aufnahmen einer Sonnenfinsternis aus dieser Region der Atmosphäre. Abgesehen davon, dass sie großartige Aussichten bieten, ermöglichten sie auch eine einzigartige Wissenschaft.

Das Projekt beinhaltete Wetterballonflüge von einem Dutzend Orten, um ein Bild davon zu erhalten, wie die untere Atmosphäre der Erde - der Teil, mit dem wir interagieren und der unser Wetter direkt beeinflusst - auf die Finsternis reagierte. Diese Daten zeigten, dass die planetarische Grenzschicht, der unterste Teil der Erdatmosphäre, während der Sonnenfinsternis fast bis auf die nächtliche Höhe abstürzte.

Einige Dutzend der Eclipse-Ballons flogen auch Karten mit harmlosen Bakterien, um uns zu helfen, mögliche Probleme mit planetaren Kontaminationen zu verstehen.

Wir wollen andere Planeten nicht kontaminieren, wenn wir Roboter - oder sogar Menschen - schicken, also müssen wir verstehen, ob mikroskopisches Leben, wie Bakterien, auf dem Mars überleben könnte", sagt Des Jardins.

Die Stratosphäre der Erde ähnelt in vielerlei Hinsicht der Umwelt auf der Marsoberfläche, mit einer primären Ausnahme: der Menge des Sonnenlichts. Aber während der Sonnenfinsternis fiel das Sonnenlicht auf etwas, das näher an das heranreicht, was man auf dem Mars erwarten könnte, und bot die perfekte Umgebung, um die Widerstandsfähigkeit dieser potentiellen Mars-Eindringlinge zu testen. Wissenschaftler schauen sich Daten aus diesem Experiment an und hoffen, dass die Ergebnisse in den nächsten Monaten veröffentlicht werden können.

Jay Herman, leitender Wissenschaftler der EPIC bei der NASA Goddard, stellte vor, wie die Veranstaltung vom 21. August Wissenschaftlern die Möglichkeit gab, die Auswirkungen der Sonnenfinsternis zu untersuchen, die einen Teil des Sonnenlichts, das die Erde erreicht, blockiert. Dies ist ein Schritt zur genaueren Messung der Rolle der Wolken bei der Regulierung, wie viel Sonnenenergie die Erdoberfläche erreicht und wie viel zurück in den Weltraum reflektiert wird. Computerprogramme können den Einfluss verschiedener Wolkentypen auf den Energiehaushalt der Erde abschätzen, und ein Ereignis wie die Finsternis, bei der der Mond als riesige, undurchdringliche Wolke fungiert, kann diese Programme verbessern.

Das Deep Space Climate Observatory - ein Raumschiff der National Oceanic and Atmospheric Administration, das 1 Million Meilen von der Erde umkreist und immer zwischen Erde und Sonne positioniert ist - bot eine einzigartige Plattform, um die Finsternis und ihre Auswirkungen zu beobachten. Es trägt ein NASA-Instrument namens Earth Polychromatic Imaging Camera, kurz EPIC, das verschiedene Wellenlängen des von der Erde reflektierten Lichts misst.

 

 
Die Earth Polychromatic Imaging Camera (EPIC) der NASA verfolgte am 21. August 2017 den Weg der totalen Sonnenfinsternis durch Nordamerika. Wissenschaftler der NASA werden diese Beobachtungen nutzen, um besser zu verstehen, wie Wolken die Energiebilanz der Erde beeinflussen.
Impressum: NASA Goddard/DSCOVR/EPIC

Als Herman und seine Kollegen gemessen haben, wie viel Licht während der Sonnenfinsternis reflektiert wurde, stellten sie fest, dass es weltweit um 10 Prozent reduziert wurde. Normale, nicht-eclipse Tage schwanken typischerweise um weniger als 1 Prozent, im Vergleich dazu.
Und noch mehr....

Viele andere Wissenschaftler - mit Unterstützung der NASA - nutzten die Sonnenfinsternis, um am 21. August neue Studien über Sonne und Erde durchzuführen.


Solarforschung

Eine von der NASA finanzierte Gruppe unter der Leitung von Shadia Habbal an der Universität von Hawaii fand atypisch kühles Material in der Korona über einem Bereich, in dem vor der Finsternis gerade ein koronaler Massenauswurf an der Oberfläche ausgebrochen war. Diese Erkenntnis hilft den Wissenschaftlern, die Physik dynamischer Plasmen in der Korona zu verstehen.

In Madras, Oregon, zeigte ein Team von NASA-Wissenschaftlern unter der Leitung von Nat Gopalswamy vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, eine neue, spezialisierte Polarisationskamera auf die Korona und machte 50 Bilder bei vier verschiedenen Wellenlängen in etwas mehr als zwei Minuten. Die Bilder erfassten Daten über die Temperatur und Geschwindigkeit von solarem Material in der Korona.

Typische Koronagraphen verwenden einen Polarisationsfilter in einem Mechanismus, der für jeden Wellenlängenfilter drei Winkel nacheinander durchläuft. Die neue Kamera wurde entwickelt, um diesen zeitaufwändigen Prozess zu eliminieren, indem sie tausende von winzigen Polarisationsfiltern integriert, um Licht, das in verschiedene Richtungen polarisiert ist, gleichzeitig zu lesen.

Die Ergebnisse des Teams stimmten mit den Ergebnissen früherer Finsternisse überein, die von den älteren, klobigeren Polarisationskameras beobachtet wurden, und zeigten erfolgreich, dass das Gerät für genaue Messungen ohne Polarisationsrad verwendet werden kann. Mit weiteren Tests und Weiterentwicklungen wird die Kamera der Gruppe schließlich zu einem Instrument für die Raumfahrt heranreifen.

Paul Bryans, ein Wissenschaftler an der UCAR, leitete ein weiteres von der NASA finanziertes Projekt zur Untersuchung der Sonne während der Augustfinsternis. Sie waren in der Lage, ein Spektrum der Korona der Sonne bei Wellenlängen von etwa 1 bis 5 Mikron einzufangen, viel längere Wellenlängen als diejenigen, aus denen sich die Lichtarten zusammensetzen, die unsere Augen sehen können. Dieses Spektrum ist eine seltene Messung, und Bryans und sein Team sind zuversichtlich, dass es interessante Details über die Atmosphäre der Sonne enthüllen wird.

Bryans'' Team konzentrierte sich auch auf die Aufnahme von Bildern der Chromosphäre - des Teils der Sonnenatmosphäre unterhalb der Korona - kurz vor und nach der Totalität, wenn sie über den Rand des Mondes hinaus sichtbar wäre, ohne von dem hellen Antlitz der Sonne überschattet zu werden.

Eines der interessantesten Dinge, die wir bisher gemacht haben, ist der Vergleich der Ergebnisse mit anderen Eclipse-Experimenten", sagt Bryans. Insbesondere können sie durch den Vergleich ihrer Daten mit denen eines Experiments der luftgestützten National Science Foundation herausfinden, welche Teile des Sonnenspektrums für zukünftige bodengestützte Studien vielversprechend sind. "Eines der Dinge, die wir wissen müssen, ist, welche Wellenlängen die Luft absorbiert - wenn die Erdatmosphäre das Licht absorbiert, das Sie suchen, hat das keinen Sinn."

Philip Judge, ebenfalls vom High Altitude Observatory, leitete ein Team in enger Zusammenarbeit mit Bryans'', um die Korona und Chromosphäre der Sonne mit Spektrographen zu untersuchen - Instrumente, die das Licht nach den Wellenlängen seiner Komponenten kategorisieren - um die Fingerabdrücke zu sehen, die das Magnetfeld der Sonne hinterlässt. Dieses chromosphärische Blitzspektrum, das mit einer beispiellosen Zeitauflösung aufgenommen wurde, ermöglicht es dem Team, die Chromosphäre als Funktion der Höhe auf einer Skala von wenigen Kilometern zu untersuchen. Die Auswertung dieser Daten ist im Gange.

Judge koordinierte auch das Smithsonian''s Airborne Infrared Spectrometer Experiment. Vorläufige Ergebnisse aus diesem Projekt zeigen zwei bisher unbekannte Emissionslinien aus der Korona. Diese Daten wurden auch mit bodengestützten Koronagraphen, die täglich außerhalb der Sonnenfinsternis verwendet werden, gekreuzt und geben den Forschern ein klares Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Emission der Korona und dem Licht, das die Erdatmosphäre absorbiert.

Padma Yanamandra-Fisher und ihr Team haben gemeinsam mit dem Citizen CATE-Projekt an zwei Teleskopstandorten die Augustfinsternis genutzt, um polarisiertes Licht aus der inneren Sonnenkorona zu messen, das nur vom Boden aus während einer totalen Sonnenfinsternis beobachtet werden kann. Die Untersuchung der inneren Korona der Sonne in polarisiertem Licht hilft den Wissenschaftlern, die Signaturen der Sonnenaktivität zu verfolgen, die die außergewöhnlich hohen Temperaturen der Korona erklären können.

Die erste Analyse zeigt, dass die Polarisation entlang des Sonnenäquators am größten war und zeigt, wo freie Elektronen häufiger vorhanden waren, sowie andere Merkmale in der Korona. Sie fanden auch eine Struktur des ausgestoßenen Materials - eine Prominenz - war sehr schwach polarisiert.



Strukturen in der Sonnenkorona sind im polarisierten Licht sichtbar, wie z.B. die dunkle Protuberanz, die rechts unten in der Sonne zu sehen ist, die während der Sonnenfinsternis von Tetonia, Idaho, aufgenommen wurde.
Impressum: David Elmore und Richard Kautz

Das Team von Yanamandra-Fisher wird auch ihre Daten mit denen von Citizen CATE kombinieren, um Licht in die kurzzeitige Variabilität der Sonnenkorona zu bringen, die sich innerhalb weniger Stunden einstellt.

Der Datensatz, den wir von einem unserer beiden Standorte erworben haben, ist einer der besten Datensätze für die sichtbare Polarisation der inneren Korona, die derzeit verfügbar ist, weil wir einen unberührten Beobachtungsort in Tetonia, Idaho, hatten und ein großartiges Beispiel für die Zusammenarbeit von professionellen und Amateur-Beobachtern", sagte Yanamandra-Fisher.

Ionosphärenforschung

Als sich der Schatten quer durch das Land bewegte und die übliche Quelle ionisierender Strahlung der Ionosphäre abschneidet, beobachtete ein Team unter der Leitung von Phil Erickson vom Haystack Observatory des Massachusetts Institute of Technology kreisförmige Bugwellen - Störungen in der Elektronendichte der Region, benannt nach ihrer Ähnlichkeit mit den Wellen, die ein Boot beim Durchqueren des Wassers erzeugt. Diese Wellen beschleunigten sich auf dem Pfad der Totalität mit 300 Meilen pro Sekunde. Wandernde ionosphärische Störungen sind mitunter für das Weltraumwetter in der oberen Atmosphäre verantwortlich und werden oft mit atmosphärischen Schwerewellen in Verbindung gebracht.

Unsere ionosphärischen Messungen während der Finsternis im August 2017 verliefen sehr gut. Das leistungsstarke ionosphärische Radar am Millstone Hill im Osten von Massachusetts hat fünf Tage lang rund um die Sonnenfinsternis perfekt funktioniert, indem es die ionosphärische Dichte, Temperatur und Geschwindigkeit über Kopf und auch in verschiedene Richtungen an der Ostküste gemessen hat", sagt Erickson. Darüber hinaus hat unsere GPS-basierte Total-Elektronen-Content-Software flächendeckende Karten der ionosphärischen Reaktion auf dem gesamten nordamerikanischen Kontinent erstellt. Beide Datensätze haben viele faszinierende Eigenschaften, von denen einige unerwartet waren."

Bob Marshall und sein Team von der University of Colorado Boulder untersuchten die Reaktion der D-Region der Ionosphäre auf die Sonnenfinsternis mit sehr niederfrequenten Funksignalen (VLF). Dies ist der niedrigste und am wenigsten dichte Teil der Ionosphäre - und deshalb der am wenigsten verstandene.

Die Datenerfassung lief gut, sagte Marshall, und die Gruppe bekam alle Daten, die sie sich erhofft hatten. Das Team sammelte VLF-Sender-Signale, die über den Pfad der Totalität in Boulder, Bear Lake, Utah, und Elginfield, Ontario, Kanada, reisten. Alle Beobachtungen zeigten deutliche Signaturen der Sonnenfinsternis sowie eine unerwartete Sonneneruption.

Wir setzen weiterhin die Modellsimulationen zusammen, um diese VLF-Beobachtungen der Finsternis zu validieren", sagte Marshall. "Das Modell ist ziemlich kompliziert und komplex, aber wir machen große Fortschritte."





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