Quelle: Universität Graz 3. April 2024.

3. April 2024 – Die Sonne verursacht einen konstanten Strom an Teilchen, den sogenannten Sonnenwind. Dieser Teilchenstrom verhält sich ähnlich wie eine Flüssigkeit, mit dem großen Unterschied, dass er ein eigenes Magnetfeld besitzt. Dadurch entstehen neue Effekte, die in klassischen Flüssigkeiten nicht angetroffen werden. Das Erdmagnetfeld schützt uns vor diesen einprasselnden Teilchen, wodurch eine turbulente Grenzschicht zwischen dem interplanetaren Raum und dem Erdmagnetfeld entsteht: die sogenannte Magnetosheath. Aufgrund dieses Magnetfeldes entstehen zwei unterschiedliche Bereiche in der Magnetosheath: Bereiche mit erhöhter Turbulenz und Energie und Bereiche mit intensiver Bildung von Wellen. Abbildung 1 (oben) zeigt die Grenzregion zwischen Erde und Sonnenwind, inklusive der beiden unterschiedlichen Regionen in der Magnetosheath.

Für die Erforschung der Effekte und Auswirkungen auf die Erde ist es essentiell, diese zwei Bereiche richtig zu klassifizieren. Wir konnten in dieser aktuellen Studie zeigen, dass klassische Klassifizierungsmethoden versagen, wenn schnelle Teilchenströme von der Sonne kommen. Die Ursache liegt in der erhöhten Energie der Teilchen im Sonnenwind. Abbildung 2 zeigt anhand von Beispielen und statistischen Ergebnissen die unterschiedliche Verteilung der hochenergetischen Teilchen durch unterschiedliche Arten von Sonnenwind. Die Arbeit zeigt die Grenzen von bisherigen Klassifizierungsmethoden auf und weist den Weg, um diese Hindernisse in zukünftigen Studien zu überwinden. Der interdisziplinäre Ansatz hilft dabei, Missinterpretationen in der Erforschung des erdnahen Raums mithilfe des Inputs aus der Sonnenphysik zu verhindern.

Die Ergebnisse entstanden in Kollaboration des Instituts für Physik, Universität Graz mit dem Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Maryland, USA. Das Projekt wird finanziell unterstützt durch den FWF im Projekt P33285-N in Zusammenarbeit mit dem Institut der Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Originalpublikation:
Florian Koller, Savvas Raptis, Manuela Temmer, Tomas Karlsson
The Effect of Fast Solar Wind on Ion Distribution Downstream of Earth’s Bow Shock.
The Astrophysical Journal Letters. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2ddf
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2ddf/pdf

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• Sonnenwind

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Quelle: TU Graz 10. August 2023.

10. August 2023 – Auswirkungen von Sonnenstürmen auf die Erdatmosphäre können Satelliten zum Absturz bringen. Um dem vorzubeugen, setzt die European Space Agency (ESA) auf den in Graz entwickelten Vorhersageservice SODA.

Nach erfolgreicher Testphase ist der gemeinsam von TU Graz und Uni Graz entwickelte Service SODA (Satellite Orbit DecAy) seit Mitte Juli offiziell Teil des Space Safety Programmes der europäischen Weltraumagentur ESA. SODA liefert genaue Prognosen der Auswirkungen von Sonnenstürmen auf die Bahn von erdnahen Satelliten. Damit ist die TU Graz die erst dritte österreichische Einrichtung, die zu diesem Programm der ESA beiträgt. Neben Seibersdorf Laboratories war die Uni Graz zuvor bereits mit dem Observatorium Kanzelhöhe und dem Institut für Physik Teil des Programms.

Der neue Vorhersageservice ist über das ESA Space Weather Service frei verfügbar und bietet eine Vorwarnzeit von rund 15 Stunden. Da die Sonnenaktivität in den kommenden zwei Jahren ihr Maximum erreichen soll, ist die Inbetriebnahme von SODA zum aktuellen Zeitpunkt von zusätzlicher Relevanz. Wie stark sich Sonnenstürme auf die Satellitenumlaufbahn auswirken können, hat sich schon im durch die Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) geförderten Projekt SWEETS gezeigt, auf dessen Ergebnissen SODA aufgebaut ist. In diesem Projekt wurden Daten zur Dichte der Atmosphäre mit Echtzeitmessungen des Sonnenwindplasmas und des interplanetaren Magnetfelds kombiniert, um so die Auswirkungen von Sonnenereignissen zu berechnen. Bei einem großen koronalen Massenauswurf der Sonne wurde dabei festgestellt, dass Satelliten in einer Höhe von 490 Kilometern bis zu 40 Meter an Höhe verloren. Anfang Februar 2022 stürzten 38 Starlink-Satelliten bei der Inbetriebnahme auf einer Flughöhe von 210 Kilometern aufgrund eines Sonnensturmes sogar ab.

Sonnenaktivität steuert auf Höhepunkt zu
Hauptursache dafür ist, dass die geladenen Plasmateilchen, die nach einer Sonneneruption auf das Erdmagnetfeld treffen, die oberen Schichten der Erdatmosphäre so stark erhitzen, dass diese sich ausdehnen und der Luftwiderstand zunimmt. Das kostet Satelliten Geschwindigkeit und Höhe. Aufgrund der erwarteten Zunahme der Sonnenaktivität in den kommenden zwei Jahren hat die ESA einige ihrer Satelliten bereits um mehrere Kilometer angehoben, um sicher durch diesen Zeitraum zu kommen. Mit seinen Vorhersagen soll SODA zusätzliche Sicherheit schaffen. Für den Vorhersageservice steuerte die TU Graz ihre am Institut für Geodäsie vorhandene Expertise in der Verarbeitung von Satellitendaten bei, die Uni Graz brachte ihre Erfahrung im Bereich der Sonnen- und Heliosphärenphysik und der interplanetaren Magnetfeldbeobachtung ein.

Das Team rund um Sandro Krauss am Institut für Geodäsie an der TU Graz beschäftigte sich mit der Bestimmung von Atmosphärendichten über einen Zeitraum von 20 Jahren. Dafür griffen sie auf die Daten mehrerer erdnaher Satellitenmissionen zurück, darunter die Missionen CHAMP, GRACE, GRACE Follow-on und Swarm. An der Uni Graz analysierte die Forschungsgruppe um Manuela Temmer vom Institut für Physik rund 300 katalogisierte Sonneneruptionen aus den Jahren 2002 bis 2017 auf Basis von Messungen des interplanetaren Magnetfelds durch Sonden am sogenannten Lagrange-Punkt L1, der in Flugrichtung Sonne ungefähr 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist. Die Informationen der Uni Graz nutzte die TU Graz, um Veränderungen der Atmosphärendichte in Verbindung mit den Sonneneruptionen zu setzen. Aus der Gesamtanalyse der so gesammelten Daten entstand das Vorhersagemodell SODA.

Weltraumforschung hat hohen Stellenwert in Österreich
„Dass wir durch SODA mit der TU Graz nun die dritte Einrichtung sind, die neben Uni Graz und Seibersdorf Laboratories zum Space Safety Programm der ESA beiträgt, freut mich sehr“, sagt Sandro Krauss vom Institut für Geodäsie der TU Graz. „Von den fünf Expert Service Centers im ESA Space Weather Service Network ist Österreich damit in vier vertreten, nur Großbritannien ist an allen fünf Zentren beteiligt. Das zeigt, dass die österreichische Weltraumforschung einen hohen Stellenwert hat. Die Zusammenarbeit mit der Uni Graz bei diesem Projekt ist außerdem ein Beleg dafür, wie wertvoll interdisziplinäre Forschungsarbeit ist. Gemeinsam arbeiten wir bereits daran, SODA weiter zu verbessern.“

Manuela Temmer vom Institut für Physik der Uni Graz erklärt: „Für Uni Graz und TU Graz ist es eine schöne Anerkennung unserer Arbeit, dass wir mit diesem Service die ESA beliefern können. Es freut mich auch, dass die Zusammenarbeit weitergeht. Im Rahmen des von der FFG geförderten Projekts CASPER werden wir SODA gemeinsam noch verbessern. Es soll dazu dienen, komplexere Sonnenstürme besser zu verstehen, etwa wenn zwei Stürme sich auf dem Weg zur Erde überlagern. Weiters möchten wir auch die Atmosphärendichte auf 450 und 400 Kilometer Höhe berechnen – bisher ist uns das bis 490 Kilometer möglich. Da der Bereich der Sonnensturmvorhersage noch nicht sehr gut erforscht ist, warten hier noch viele interessante Erkenntnisse auf uns.“

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• Weltraumwetter

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Quelle: Universität Graz. 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Mithilfe von künstlicher Intelligenz ist es den Wissenschaftler:innen der Universität Graz und des Skoltech Institute in Moskau gelungen, das Magnetfeld in den oberen Schichten der Sonnenatmosphäre zu simulieren, in denen Eruptionen entstehen. „In diesen Bereichen sind Messungen nicht möglich. Wir brauchen daher Modellierungen, um die Vorgänge beschreiben und verstehen zu können“, erklärt Hauptautor Robert Jarolim vom Institut für Physik der Universität Graz.

Um Vorhersagen treffen zu können, beobachten und messen die Forscher:innen die Sonnenflecken. „Das sind Gebiete mit sehr starkem Magnetfeld“, sagt Jarolim. Diese Daten werden mittels künstlicher Intelligenz mit physikalischen Modellen kombiniert, um die Vorgänge in den oberen Schichten der Sonnenatmosphäre zu simulieren.

Bisher dauerte dieser Vorgang viele Stunden. „Mit unserer Methode konnten wir die Dauer der Berechnung deutlich reduzieren. Das ermöglicht es uns, fast in Echtzeit neue Daten einzupflegen und dadurch können wir Sonnenstürme wesentlich besser vorhersagen, die auf die Erde treffen“, unterstreicht der Astrophysiker.

Die Ergebnisse der Simulationen verbessern das Verständnis für das Magnetfeld der Sonne und das Weltraumwetter. Damit sind sie auch für die Raum- und Luftfahrt bedeutend, ergänzt Jarolim: „Bereits wenige Minuten nach einer Sonneneruption kommen hochgeladene Teilchen auf der Erde an. Diese sind eine Gefahr für Astronaut:innen und können ein erhöhtes Strahlungsrisiko für Flugzeugpassagiere bedeuten.“

Publikation
R. Jarolim, J. K. Thalmann, A. M. Veronig, T. Podladchikova. Probing the solar coronal magnetic field with physics-informed neuronal networks. Nature Astronomy, Volume 7, No. 6, 2023
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02030-9

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• Weltraumwetter

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Quelle: Universität Graz.

19. April 2022 – Den Ausschlag gab die Expertise des Wegener Center in der satellitengestützten Klimabeobachtung. Als Turbo für die Forschung auf diesem Gebiet stellt EUMETSAT gemeinsam mit der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG für die nächsten fünf Jahre 840.000 Euro zur Verfügung. Hinzu kommen 560.000 Euro Eigenleistung der Universität Graz. Nach der ersten Periode und einer Evaluierung besteht die Option auf Verlängerung um weitere fünf Jahre.

„Es war ein herausfordernder Weg im internationalen Wettbewerb mit mehrstufigen Vorprojekten und Begutachtungen. Ich bin begeistert und dankbar, dass wir diesen Meilenstein erreicht haben, der unsere Forschung zu globalen Klimaänderungen auf ein Jahrzehnt maßgeblich stärken wird“, freut sich Projektleiter Gottfried Kirchengast vom Wegener Center, der das Team der Uni Graz anführt. Die Wissenschafter*innen nutzen die Methode der Radio-Okkultation, um die Klimaveränderungen in der Atmosphäre zu beobachten. Dabei werden GPS-Signale von Sender- zu Empfängersatelliten geschickt. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre werden sie von verschiedenen Faktoren, wie etwa Temperatur oder Treibhausgasen, beeinflusst. Aus den Abweichungen lassen sich äußerst genaue Daten über die jeweiligen Klimavariablen in allen Schichten der Atmosphäre ableiten. Die Grazer Forscher*innen zählen dabei zu den weltweit führenden Gruppen, und diese Expertise bringen sie nun im EUMETSAT-Exzellenzzentrum ROM SAF (Radio Occultation Meteorology Satellite Application Facility) ein. Andrea Steiner, Leiterin des Wegener Center, fungiert als Vertreterin der Uni Graz im ROM-SAF-Lenkungsausschuss.

„Dieses Millionenprojekt, auf Schiene gebracht für die nächsten zehn Jahre, sichert dem Wegener Center das Tor zum Weltraum für globales Klima-Monitoring“, unterstreicht auch Joachim Reidl, Vizerektor für Forschung und Nachwuchsförderung der Universität Graz, die Bedeutung der Kooperation. Die langfristige Partnerschaft ermöglicht eine noch wirksamere Vernetzung. „Zum einen haben wir einfacher Zugang zu wichtigen Daten und Analysesystemen von EUMETSAT und den Partnern im Exzellenzzentrum, zum anderen stärkt die Kooperation die Qualität der Forschung sowie die Qualität der Klima-Monitoring-Daten, die den ROM-SAF-Nutzer*innen zur Verfügung stehen“, erklärt Kirchengast.

Die Forschung ist in den Profilbildenden Bereich Climate Change Graz der Universität Graz eingebettet und Teil der Forschungsgruppe Atmosphärenfernerkundung und Klimasystem des Wegener Center. Das Projekt wird aus dem Satellite Application Facilities (SAFs) Programme von EUMETSAT sowie dem Austrian Space Applications Programme (ASAP) der FFG, dotiert aus Mitteln des Bundesministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK), finanziert.

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• EUMETSAT

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