Messung der Sonnenaktivität mit Längswellen – Abenteuer einmal um die Welt

Am 24. November 2020 veröffentlicht von Jekaterina Stael von Holstein

Im letzten Blogbeitrag wurde der Ursprung der Sonnenstürme erklärt und auch deren Wirkung auf das Leben auf der Erde. Um die unangenehmen und teils zerstörerischen Folgen (Stromausfall, Ausfall von Satelliten, Ausfall von Elektronik bei Transportmitteln auf Land, See und in der Luft etc.) zu vermeiden, muss die Sonnenaktivität zunächst genaustens beobachtet werden. Erst dann kann ein gutes und zuverlässiges Vorwarnsystem entwickelt werden.

Es gibt bereits die ersten zuverlässigen Daten dank der Satelliten SOHO Mission der europäischen Weltraumorganisation ESA, aber auch von der Erde kann die Sonnenaktivität beobachtet werden. In einem internationalen Projekt mit Schulen, Universitäten und Forschungseinrichtungen namens SIMONE (Sun and Ionosphere MOnitoring NEtwork) wurden weltweit Messungen zu den von der Sonne produzierten Lichtblitzen, den sogenannten Flares, von der Erde aus getätigt. Auch meine Schule war Teil dieses Projektes und im Folgenden erkläre ich euch, wie die Sonne von der Erde aus beobachtet werden kann und welche Rolle dabei Radiowellen spielen, die einmal um die Welt ihren Weg nach Deutschland finden.

Das „International Space Weather Monitoring Project“

Im Jahr 2007 wurde von den Vereinten Nationen und der Universität Stanford das International Space Weather Monitor Project gegründet, in welches das nationale Projekt SIMONE unter der Leitung der Universität Göttingen eingebettet war. Die Idee des Messverfahrens beruht auf der Ausbreitung von Längswellen (VLF, Very Low Frequency) im freien Raum zwischen der Erdoberfläche und den unteren Schichten der Ionosphäre, welche ein Teil der Atmosphäre bildet. Ein Sender in Cutler, USA, strahlt kontinuierlich eine 24 kHz Welle aus, die sich im Raum ausbreitet und auch 5440 km weiter mit einer selbstgebauten Rahmenantenne und einem von der Standford University gestellten Empfänger empfangen und registriert werden kann. Diese Tagessätze an Daten können lokal ausgewertet werden und international mit anderen Empfängerstationen verglichen werden.

Neben dem wunderbaren Vorteil, dass sich Schülerinnen und Schüler sowoe Studierende mit der Sonnenaktivität, der Ionosphäre und dem Radiowellenmessprinzip auseinandersetzen, arbeiten sie auch international an einem aktuellen Forschungsprojekt und werden so in die Welt der Forschung eingeführt. Und nebenbei werden wichtige Ergebnisse für die Forschung gesammelt.

Die Ausbreitung der Radiowellen von Sender zum Empfänger

Wie bereits erwähnt, wird ein Längswellensignal mit einer Frequenz von 24 kHz von einem Sender in Cutler, USA, ausgestrahlt. Das von Cutler ausgesendete Signal trifft auf die Ionosphäre. Man kann modellhaft davon ausgehen, dass die Welle in einem Teil der Ionosphäre „reflektiert“ wird, anschließend wird sie gleichermaßen am Erdboden reflektiert. Die Reflektion am Erdboden und an der Ionosphäre findet mehrmals statt, bis die selbstgebaute Rahmenantenne dieses Signal empfängt.

Ausbreitung der Ionosphäre um die Welt. Quelle: J. Wait „Electromagnetic Waves in Stratified Media“, K. Rinnert „Längstwellenausbreitung im Erde-Ionosphäre-Wellenleiter“, G. Klawitter „Langwellen- und Längstwellenfunk“

Durch ein Kabel ist die Antenne mit der computergesteuerten Messanlage verbunden. Das Antennensignal wird dabei von dem von der Stanford University gestellten SID (Sudden Ionospheric Disturbance) Monitor aufgenommen und verstärkt. Dieses wird danach mit Hilfe eines AD-Wandlers (Analog-Digital-Wandlers) in Digitalwerte umgewandelt, welche alle fünf Sekunden registriert werden. Die 17.280 Werte pro Tag werden in eine CSV-Datei übernommen und können anschließend mit Hilfe von Programmen wie z.B. Excel bearbeitet und graphisch dargestellt werden.
Die gemessenen Daten können außerdem auf der Internetplattform „SID Data Access“ ausgestellt und mit anderen Messstationen auf der ganzen Welt verglichen werden.

Die von Schülern gebaute Rahmenantenne, welche über ein Kabel mit der Messanlage mit dem SID-Monitor, A/D-Wandler, PC und unterbrechungsfreiem Stromversorgungsgerät verbunden ist.

 

SID Monitor

 

Was hat denn die Ionosphäre mit der Sonne zu tun?

Die Ionosphäre ist ein ionisierter Teil der Erdatmosphäre. Der senkrechte Aufbau der Erdatmosphäre kann nach verschiedenen Kenngrößen unterteilt werden, wie z.B. dem ungleichmäßigen Temperaturverlauf oder auch der Elektronendichteverteilung, welche die verschiedenen Schichten der Ionosphäre definieren.

In der Hochatmosphäre der Erde werden Gasatome und -moleküle durch solare und kosmische Strahlung ionisiert, es entstehen bis in ca. 100 km Höhe Elektronen (e-), Sauerstoffmolekül-Ionen (O2+) und Stickstoffoxid-Ionen (NO+). Das Gemisch aus den Elektronen, Ionen und neutralen Gasmolekülen wird als „Plasma“ bezeichnet. Die Summe aller positiven Ionen ist gleich der Summe der Elektronen (negative Ionen sind ab Höhen von über 90 km zu vernachlässigen). Die Ionosphäre ist also ein quasi-neutrales Gasgemisch. Nichtsdestotrotz ist die Atmosphäre durch die geladenen Teilchen elektrisch leitfähig, obwohl weniger als 1% der Gasmoleküle in der Ionosphäre ionisiert sind. Durch die Leitfähigkeit der Ionosphäre können Radiowellen reflektiert, gestreut und abgelenkt werden.

Tagsüber werden in der Ionosphäre durch solare und kosmische Strahlung Moleküle ionisiert. Nachts fällt wegen fehlender Sonneneinstrahlung die Ionisierung ab, es sind also weniger Ionen vorhanden. Dies liegt an der Rekombination von Ionen und Elektronen zu neutralen Atomen und Molekülen, die Elektronendichte wird so kleiner.

Der Aufbau der verschiedenen Schichten ist also stark von der Energieeinstrahlung, insbesondere von der solaren Strahlung, abhängig. Das hat zur Folge, dass der Einfluss der Sonnenaktivität und somit der zusätzlichen Sonnenstrahlung zu einer zusätzlichen Ionisierung der Ionosphäre führen kann.

Diese tages- und jahreszeitlichen Schwankungen der Ionisierung führen zur unterschiedlichen „Reflexion“ der Längswelle an der Ionosphäre. Die plötzlich auftretende und starke Strahlung der Sonne führt zu einer einhergehenden Veränderung der Ionosphäre und somit auch zur Veränderung des empfangenen Signals.

Wie sehen die Messungen aus?

Die Intervalle I und V zeigen den nächtlichen Verlauf, bei dem die Ionosphäre schwächer ausgebildet ist, wodurch es zu höheren, instabileren Signalen im Vergleich zur Tageszeit kommt. Das Signal liegt in etwa zwischen SUC (Sonnenuntergang Cutler) und SAW (Sonnenaufgang Walsrode, Deutschland).

Die Intervalle II und IV dagegen zeigen eine Übergangszeit zwischen SAW und SAC (Sonnenaufgang Cutler) bzw. SUW (Sonnenuntergang Walsrode) und SUC, bei der es zu Ausbildungen von Minima und Maxima kommt. Zu dieser Zeit befindet sich die Ionosphäre in der Aufbau- bzw. in der Abbauphase.

Im Intervall III ist ein ruhiges, nahezu konstantes Tagesplateau zu sehen, die Ionosphäre schwächt die Längswelle und somit das Signal.

Was geschieht denn nun, wenn mehr Strahlung von der Sonne durch Flares ausgestrahlt wird und sich die Ionosphäre zusätzlich verändert?

Der Tagesverlauf, welcher charakteristisch für einen Flare ist, weist während des entsprechenden Zeitintervalls ein lokales Maximum mit einem typischen steilen Anstieg und das abschließende typische etwas flachere Absinken des Signals im normalen Tagesplateau auf. Flares sind oft während der Übergangszeiten am Tag zu erkennen, in der Nacht jedoch nicht aufgrund von fehlender Sonneneinstrahlung. Das schließt aber nicht aus, dass es auch Flares zur Nachtzeit gibt. An einem Tag kann es auch zu mehreren Flareausbrüchen kommen. Im unteren Bild ist ein Flare der Klasse M zu erkennen, bei welchem, relativ gesehen, viel Strahlung zusätzlich zur normalen Strahlung ausgestrahlt wird, hier 19 mW/m². Das Tagesplateau mit einem Flareereignis unterscheidet sich also deutlich vom normalen Tagesplateau.

In der Nacht sind die Flares schlecht zu beobachten, da aufgrund der schwanken Ionosphäre das Nachtplateau nicht stabil ist. Dafür kann zu dieser Zeit an einem anderen Ort auf der Erde der Flare während des Tages beobachtet werden.

Was ist der Mehrwert dieses Projektes?

Ähnlich wie bei vielen anderen wissenschaftlichen Projekten an der Schule, können Schülerinnen und Schüler in die Welt der Forschung eintauchen. Ein spannendes, internationales Projekt lässt die Neugier sprießen und auch ohne Vorwissen kann man in eine neue, interessante Welt eintauchen. Wie wissenschaftliche Experimente durchgeführt werden, wie man wissenschaftliche Texte liest und interpretiert und wie das gesammelte Wissen im Rahmen von nationalen und internationalen Tagungen oder anderen Events richtig präsentiert wird – das alles sind wichtige Faktoren, die vor allem einen Einblick in die spätere wissenschaftliche Karriere geben. Aber auch für alle anderen, die sich für eine nicht-wissenschaftliche Karriere entscheiden, bieten solche Projekte die Möglichkeit, sich in ein Thema zu vertiefen, mit arbeiten anzufangen, Berichte zu schreiben und die Präsentationsfähigkeiten zu verbessern.

Ich zumindest empfand es eine wunderbare Alternative zum schulischen Unterricht. Und obwohl aus mir weder Physikerin noch Astronomin wurde, sammelte ich viele tolle Erfahrungen und lernte wirklich interessante Leute kennen. Selbstverständlich ist mein Wissen im Bereich der Astrophysik viel größer geworden. Und natürlich schaue ich immer noch gerne in den Himmel und frage mich, welche Aktivität die Sonne wohl gerade hat und welche Erkenntnisse mittlerweile gezogen werden konnten.

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