Woher wissen wir, ob ein CME auf die Erde gerichtet ist und wann er ankommen wird?

Wenn eine Sonneneruption oder ein Filamentausbruch auftritt, wissen wir nicht sofort, ob sie einen koronalen Massenauswurf (CME) ausgelöst hat. Selbst wenn ein koronaler Massenauswurf ins All ausbricht, stellt das keine Garantie dar, dass er in Richtung Erde unterwegs ist. In diesem Artikel zeigen wir Ihnen Methoden, mit denen Sie feststellen können, ob ein koronaler Massenauswurf von der Sonne ausgegangen ist, ob er auf die Erde gerichtet ist und wann er eintreffen könnte.

1. Verwendung des Protonenflussmonitors

Auf unserer Website finden Sie eine Wertedarstellung, der die Menge von ≥10 MeV Sonnenprotonen zeigt, die in der Nähe der Erde gemessen wurden. Bei gewaltigen Explosionen auf der Sonne kann ein Strahlungssturm ausgelöst werden. Sonnenprotonen werden in den Weltraum geblasen und können sich bei Extremereignissen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Sie sind die ersten Teilchen, die auf der Erde ankommen, sodass sich nach einem großen Ereignis auf der Sonne sehr schnell ein Sonnenstrahlungssturm entwickeln kann. Diese Sonnenprotonen sind ein guter Indikator dafür, dass es ein eruptives Sonnenereignis gab, das wahrscheinlich einen koronalen Massenauswurf in den Weltraum ausgelöst hat. Obwohl wir ziemlich sicher sein können, dass ein koronaler Massenauswurf in den Weltraum geschossen wurde, ist dies nicht der ideale Weg, um festzustellen, ob der koronale Massenauswurf erdgerichtet ist, da diese Partikel dazu neigen, dem interplanetaren Magnetfeld zu folgen: der Parker-Spirale. Es ist vorgekommen, dass wir einen Sonnenstrahlungssturm auf der Erde gesehen haben, obwohl der damit verbundene koronale Massenauswurf nicht auf die Erde gerichtet war. Dies tritt häufig bei Ereignissen in der Nähe des westlichen Randes auf, aber in seltenen Fällen haben sogar Protonen von großen Ereignissen auf der anderen Seite der Sonne unseren Planeten erreicht.

Sonnensturm

Bild: Ein Beispiel für ein Diagramm der ≥10 MeV-Solarprotonen, das Sie auf unserer Website finden. Dieses Diagramm zeigt den solaren Protonenfluss von ≥10 MeV in der Nähe der Erde am 14. Juli 2000, als eine große X5,7-Sonneneruption stattfand. Wir sehen einen starken Anstieg bei den ≥10 MeV Sonnenprotonen ab 10:35 UTC, nur 32 Minuten nach Beginn der Sonneneruption. Schnell entwickelte sich ein starker Sonnenstrahlungssturm S3.

2. Verwendung von SOHO/LASCO-Koronagraph-Bildern

Der beste Weg um herauszufinden, ob ein koronaler Massenauswurf auf die Erde gerichtet ist, sind Bilder, die mit den Koronographeninstrumenten LASCO C2 und C3 aufgenommen wurden. Diese befinden sich auf der Raumsonde SOHO (Solar and Heliospheric Observatory). SOHO beobachtet die Sonne aus der Perspektive der Erde, sodass mögliche erdgerichtete koronale Massenauswürfe leicht identifiziert werden können. Koronale Massenauswürfe, die auf die Erde gerichtet sind, zeigen sich als teilweise oder vollständige koronale Halo-Massenauswürfe, wenn sie sich von der Sonne weg ausbreiten. Die Bilder von SOHO liegen jedoch nicht immer in Echtzeit vor und sind oft um mehrere Stunden verzögert. Daher kann es oft eine gewisse Zeit dauern, bis wir sicher wissen, ob ein koronaler Massenauswurf eine erdgerichtete Komponente hat oder nicht.

Nachfolgend haben wir zwei großartige Beispiele dafür, wie ein koronaler Massenauswurf auf den Bildern der SOHO/LASCO-Messinstrumente aussehen könnte. Die Animation auf der linken Seite zeigt einen koronalen Massenauswurf, wie er vom SOHO/LASCO C2-Messinstrument beobachtet wurde und der sich nach Norden bewegt und nicht auf der Erde einschlug. Es gibt keine Halo-Umrisse, daher können wir leicht schlussfolgern, dass diese Plasmawolke nicht auf die Erde ausgerichtet ist. Auf der rechten Seite sehen wir einen koronalen Massenauswurf mit vollständiger Halo, der ebenfalls von SOHO/LASCO C2 beobachtet wurde. Die Umrisse dieses koronalen Massenauswurfs bilden einen perfekten Kreis um das gesamte Sichtfeld von LASCO. Es gibt jetzt zwei Möglichkeiten: die Plasmawolke kommt direkt auf uns zu oder sie ist von uns weg gerichtet.

Ein CME aus der Sicht von SOHO/LASCOCME mit vollständiger Halo

Wenn wir uns nicht sicher sind, ob ein von LASCO entdeckter koronaler Massenauswurf (CME) von der der Erde zugewandten Seite der Sonne stammt, vielleicht weil es keine eindeutigen Anzeichen für eine Eruption gibt, können wir die Bilder der STEREO-Mission (Solar TErrestrial RElations Observatory) hinzuziehen. Die STEREO-Mission besteht aus zwei Raumsonden: STEREO Ahead und STEREO Behind. Sie beobachten die Rückseite der Sonne. Die Bilder von STEREO und SOHO zusammen geben uns eine 3D-Darstellung des koronalen Massenauswurfs und sagen uns, ob der koronale Massenauswurf auf die Erde zukommt oder sich von der Erde wegbewegt. Die Bilder von SOHO und STEREO finden Sie auf der Website.

Anhand der Bilder der SOHO- und STEREO-Missionen können die Weltraumwetter-Wissenschaftler die Geschwindigkeit berechnen, mit der sich der CME von der Sonne wegbewegt, und so die voraussichtliche Ankunftszeit (ETA) des koronalen Massenauswurfs festlegen. Sobald diese Berichte vorliegen, können Sie auf unserer Website unter Sonnenaktivität > WSA Enlil die Sonnenwindmodelle ansehen sowie und die täglichen Berichte des NOAA SWPC unter Berichte > Sonnenaktivitätsbericht einsehen, um zu sehen, wann der koronale Massenauswurf voraussichtlich eintreffen wird. Das SpaceWeatherLive-Team wird bei größeren Ereignissen auch eine Analyse zur Verfügung stellen.

3. Verwenden der SIDC Cactus-Software

Das belgische Solar Influences Data Analysis Center (SIDC) hat das Programm CACTUS entwickelt, das für Computer Aided CME Tracking steht. Es scannt automatisch die Bilder von SOHO/LASCO, um festzustellen, ob ein koronaler Massenauswurf wahrscheinlich die Erde treffen wird oder nicht. Es zeigt an, ob es sich um einen koronalen Massenauswurf mit vollständiger oder partieller Halo handelt. Es bestimmt auch die Austrittsgeschwindigkeit des koronalen Massenauswurfs, wodurch die mögliche Ankunftszeit berechnet werden kann.

CACTUS CME-Erkennung

4. Verwenden des EPAM-Plots

EPAM steht für Electron, Proton and Alpha Monitor und ist ein Messinstrument auf dem ACE-Satelliten, das die Elektronen und Protonen misst, die mit dem Sonnenwind ausgesandt werden. Es ist ein sehr nützliches Messinstrument, um herauszufinden, ob ein koronaler Massenauswurf auf die Erde gerichtet ist und wann er eintreffen wird. Wir werden das mit einigen EPAM-Diagrammen etwas verdeutlichen. Unten finden Sie eine EPAM-Darstellung, wie sie einige Stunden nach einer Sonneneruption aussehen kann.

EPAM-Plot kurz nach einer Sonneneruption

Bei einer gewaltigen Explosion auf der Sonne werden Elektronen und Protonen mit dem Sonnenwind in das All geschleudert. Unmittelbar nach einem Ereignis, das einen koronalen Massenauswurf (CME) auslöst, zeigt das EPAM-Diagramm einen Anstieg der niederenergetischen Elektronen, der den Beginn der Eruption (Flare) markiert. Auch die Niederenergie-Protonenkurve wird einen stetigen Anstieg zeigen. Dies weist oft darauf hin, dass ein Teil des koronalen Massenauswurfs auf die Erde gerichtet ist. Wenn wir alles zusammentragen und wissen, dass ein koronaler Massenauswurf auf dem Weg zur Erde ist, bleibt eine entscheidende Frage: Wann wird der CME eintreffen?

Wann wird der CME eintreffen?

Sobald wir die Geschwindigkeit des CMEs kennen, können wir selbst bestimmen, wann er eintreffen könnte. Mit der folgenden Tabelle können Sie bestimmen, wie lange der koronale Massenauswurf für die Reise von der Sonne zur Erde benötigen wird, sofern er unterwegs nicht langsamer wird. Die unten aufgeführten Zeiten sind daher nur Richtwerte. Es kommt häufig vor, dass koronale Massenauswürfe früher oder später als die vorhergesagte Ankunftszeit eintreffen, mit einer Zeitspanne von manchmal 6 Stunden oder mehr!

CME-Geschwindigkeit (km/s) Reisezeit (Stunden) Tage Stunden
300 138,88 5 18.88
400 104,16 4 8,16
500 83.33 3 11.33
600 69.44 2 21.44
700 59.52 2 11.52
800 52.08 2 4.08
900 46.30 1 22.30
1000 41.67 1 17.67
1100 37.88 1 13.88
1200 34.72 1 10.72
1300 32.05 1 8.05
1400 29.76 1 5.76
1500 27.78 1 3.78
1600 26.04 1 2.04
1700 24.51 1 0.51
1800 23.15 0 23.15
1900 21.93 0 21.93
2000 20.83 0 20.83
2100 19.84 0 19.84
2200 18.94 0 18.94

Bestimmen Sie die Auswirkungen mithilfe des EPAM-Monitors

Sobald ein koronaler Massenauswurf begonnen hat und wir festgestellt haben, dass er auf die Erde gerichtet ist, können wir nur noch abwarten und die EPAM-Aufzeichnungen beobachten. Die meisten koronalen Massenauswürfe bilden eine Schockwelle vor der Plasmawolke selbst, die die Protonen beschleunigt, was wir mit Hilfe des EPAM-Instruments auf ACE messen können. Wir werden sehen, wie die Protonenkurve bis zum Eintreffen des koronalen Massenauswurfs weiter ansteigt. Der erste Anstieg der Kurve (unmittelbar nach einer Sonneneruption) wird als "Einsetzphase" bezeichnet. Sie steigt langsam weiter an (Ramp-up-Phase) und der koronale Massenauswurf nähert sich der Erde. Einige Stunden vor seinem tatsächlichen Eintreffen kommt es zu einem erneuten, stärkeren Anstieg, der anzeigt, dass der koronale Massenauswurf bald eintreffen wird. Wenn das EPAM-Diagramm seinen Höhepunkt erreicht, bedeutet dies, dass der koronale Massenauswurf den DSCOVR-Satelliten erreicht hat. Die Daten des Sonnenwindes und des interplanetaren Magnetfeldes sollten nun deutlich zeigen, dass der koronale Massenauswurf eingetroffen ist. Nach dem Eintreffen des koronalen Massenauswurfs werden Sie sehen, dass die Protonenwerte langsam auf normale Werte zurückgehen... es sei denn, es gibt einen weiteren koronalen Massenauswurf auf dem Weg zur Erde. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für die EPAM-Darstellung, in der die verschiedenen Phasen deutlich zu erkennen sind. Beachten Sie, dass langsame und schwächere koronale Massenauswürfe manchmal keine Schockwelle vor sich herschieben. Diese sind in EPAM viel schwieriger oder gar nicht zu erkennen!

EPAM

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