Neuartige Prognoseinstrumente für Ereignisse mit solaren energetischen Teilchen
HESPERIA (High Energy Solar Particle Events foRecastIng and Analysis) hatte drei zentrale Ziele: neue Prognoseinstrumente zu entwickeln, die auf den empirischen Prognosemodellen UMASEP und REleASE basieren; das wissenschaftliche Verständnis der physikalischen Mechanismen voranzubringen, die zu SEPs führen; die Möglichkeit einer Einbindung der Ergebnisse in zukünftige Weltraumwetterdienstleistungen zu erforschen. „Die Prognose von Strahlungsstürmen mit Sonnenteilchen, sogenannten SEP-Ereignissen, ist potenziell von Interesse für Weltraumfahrzeug- und Startmanöver sowie für die Beurteilung von Radiowellenausbreitungsbedingungen in der polaren Ionosphäre der Erde“, bemerkt Dr. Olga Malandraki, leitende Forscherin am Nationalen Observatorium Athen und Koordinatorin des Projekts. Bessere SEP-Prognosen würden nicht nur zukünftige Missionen zur Erforschung des Weltraums sicherer machen, sondern auch Fluglinien dabei helfen, eine Exposition gegenüber der resultierenden Strahlung zu vermeiden. Vor dem Start von HESPERIA im Jahr 2015 stand die Community vor der Herausforderung, dass neue Dienstleistungen gebraucht würden, um die Sonnenteilchenstürme mit einer wesentliche höheren Präzision vorhersagen zu können. Das Projekt wird diesem Bedarf aufgrund von SEP-Prognoseinstrumenten, die genaue Echtzeit-Prognosen von großen SEP-Ereignissen im Energiebereich von 30-50 MeV und oberhalb von 500 MeV Protonen ermöglichen, in erfolgreicher Weise gerecht werden. Um dies möglich zu machen, entwickelte das Team von Dr. Malandraki die neuen Tools HESPERIA UMASEP-500 und HESPERIA REleASE, die jeweils auf den empirischen Prognosemodellen UMASEP und REleASE basieren, deren hohe Leistungsfähigkeit unter der Wissenschaftsgemeinde gemeinhin anerkannt ist. Das erste Modell verwendet frühe Signaturen in Bezug auf die Sonnenaktivität zur SEP-Vorhersage, während das zweite Modell auf schnellere Teilchen fokussiert ist, die Weltraumfahrzeuge tendenziell früher als prognostiziert erreichen. HESPERIA UMASEP-500 ermöglicht über die Analyse weicher Röntgenstrahlung und Unterschiede beim Protonenfluss, die vom GOES-Satellitennetz gemessen werden, Echtzeit-Prognosen zum Auftreten von GLE-Ereignissen. „Die wichtigste Innovation ist, dass unser Tool Weltraumfahrzeug-Protonendaten für die SEP-Prognose verwendet, da es mit dem Tool hierdurch erwiesenermaßen möglich ist, früher als mit bestehenden Prognoseinstrumenten, die auf bodenbasierten Neutronenmonitormessungen basieren, erfolgreiche GLE-Vorhersagen zu treffen“, sagt Dr. Malandraki. HESPERIA REleASE wiederum senkt die Fehlalarmraten und steigert die Wahrscheinlichkeit für die Detektion energetischer Protonen in einem Bereich von 30 und 50 MeV gegenüber bestehenden Instrumenten. Dies ist möglich, indem die nahezu relativistischen und relativistischen Elektronen der Weltraumfahrzeuge ACE und SOHA als Vorläufer genutzt werden. Die beiden Tools stehen auf der Projektwebseite zur Verfügung. Ein besseres Verständnis SEP-bezogener Mechanismen Abgesehen von den Prognoseinstrumenten liefert HESPERIA auch neue wichtige Erkenntnisse über die physikalischen Mechanismen, die zu SEPs führen. Hierzu zählen vor allem das häufige Auftreten und die mitunter lange Dauer von γ-Strahlenereignissen in Photonenenergiebereichen von mehr als 100 MeV sowie das Verhältnis zwischen dem „interplanetaren“ (IP) Auftreten von Protonen auf der Erde und von Protonen auf der Sonne. „Eine wichtige Erkenntnis war, dass die lange Dauer von γ-Strahlenereignissen von weichen Röntgenstrahlungsausbrüchen mit langer Dauer und der Bildung koronaler Schleifen in der Folgezeit von ,koronalen Massenauswürfen’ (Coronal Mass Ejections, CMEs) begleitet wird“, sagt Dr. Malandraki über die Analyse des Projekts zu γ-Strahlenereignissen von mehr als 100 MeV, die derzeit eine Herausforderung für unser Verständnis der Teilchenbeschleunigungsprozesse auf der Sonne sind, welche bei 1 AU zu einem SEP-Auftreten führen. „Es wurde ebenfalls festgestellt, dass die γ-Strahlenereignisse mit langer Dauer von Radiostrahlungsausbrüchen vom Typ II im Dekameter-Wellenlängenbereich und höheren Wellenlängenbereichen begleitet werden. Diese werden von Elektronen hervorgerufen, welche durch Schockwellen in der oberen Korona und dem interplanetaren Medium beschleunigt werden.“ Im Hinblick auf das interplanetare Auftreten von Protonen und das Auftreten von Protonen auf der Sonne stellte das Konsortium beachtenswerter Weise fest, dass die vergleichsweise geringe Anzahl von Protonen mit >500 MeV in dem impulsiven Flare die Wahrscheinlichkeit dafür, dass letztgenannter ein wesentlicher beitragender Faktor für die interplanetare Population ist, erheblich verringert. „Die Anzahl an Protonen mit >500 MeV in den anhaltenden Emissionen macht es hingegen sehr plausibel, dass diese von der interplanetaren Population stammen, mit größter Wahrscheinlichkeit von einem entstehenden SEP-Reservoir, das sich stromabwärts des CME-getriebenen Schocks bildet. Eine direkte Schlussfolgerung lautet, dass der CME-getriebene Schock selbst bei >500 MeV die primäre Quelle für solare energetische Protonen auf der Sonne und im interplanetaren Raum ist“, erklärt Dr. Malandraki. Die Weltraumwetter-Community einschließlich von Startdienstleistern, ziviler Luftfahrt und Satellitenunternehmen haben laut Dr. Malandraki bereits „großes Interesse“ an den HESPERIA-Tools gezeigt. Dr. Malandraki hofft, dass das Projekt in naher Zukunft für das andauernde „Space Situational Awareness“-Programm der ESA von Nutzen sein wird und dass das Community Coordinated Modeling Center – welches auf die Entwicklung von Weltraumwettermodellen der nächsten Generation abzielt – die Projektergebnisse ausschöpfen wird.
Schlüsselbegriffe
HESPERIA, SEP-Ereignisse, Sonnenpartikel, UMASEP, REleASE, Weltraumwetter, Weltraumfahrzeug, Weltraumerforschung, Strahlung, Sonnenaktivität, Ground Level Enhancement, Vorhersagen, koronaler Massenauswurf