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2023 | Buch

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Magnetisches Sonnensystem

Solare Eruptionen, Sonnenwinde und Weltraumwetter

verfasst von: Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Die magnetisch aktive Sonne steht im Zentrum unseres Sonnensystems. Aus ihrer Korona strömt der Sonnenwind stetig in alle Richtungen und formt eine großräumige magnetisierte Plasmahülle um unser Zentralgestirn: die Heliosphäre. Zusammen mit der aus dem Interstellaren Medium eindringenden kosmischen Partikelstrahlung prägt der Sonnenwind die Entwicklung des Weltraumwetters im Interplanetaren Raum sowie in den Magnetosphären und Ionosphären der Planeten. Wie entstehen Kometenschweife und Polarlichter? Welchen Einfluss hat der Sonnenwind auf das Leben im Erdsystem?

Unterstützt durch faszinierende Abbildungen astronomischer Himmelsobjekte, durch erklärende Grafiken, wissenschaftliche Originaldaten sowie durch die Verknüpfungshinweise zu Videosequenzen werden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse und neuesten Erkenntnisse didaktisch aufbereitet und mit wenigen mathematischen Herleitungen anschaulich erläutert. Dieses Sachbuch wendet sich allgemein an die gebildete Öffentlichkeit, an Amateurastronomen aber auch an junge Studierende, die sich einen umfassenden Überblick über die generelle Bedeutung magnetischer Vorgänge sowie ein tieferes Verständnis der Prozesse in den Weltraumplasmen unseres Sonnensystems verschaffen möchten.

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Das Sonnensystem und die Heliosphäre

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden grundlegende Eigenschaften und Parameter des Sonnensystems diskutiert. Die Sonne ist das gravitative Zentrum, um das die Planeten auf elliptischen Orbits laufen. Sie ist eine rotierende Plasmakugel, in der durch Kernfusion die Strahlung erzeugt wird, die wir als Sonnenlicht wahrnehmen. Durch ihre Rotation wird ein Dynamo angetrieben, der das variable Magnetfeld der Sonne erzeugt. Ihr Magnetismus bewirkt letztlich die Aufheizung der Korona und Beschleunigung des Sonnenwinds, der im interstellaren Medium eine riesige Plasmablase ausbildet. Diese Heliosphäre erstreckt sich bis zu etwa dem 100-Fachen des Abstands der Erde von der Sonne. Eruptionen auf der Sonne und der variable Sonnenwind sind für das Weltraumwetter verantwortlich, das besonders im erdnahen Weltraum Einfluss auf die technische Zivilisation und Raumfahrt der Menschheit nimmt. Ein Essay gibt Gründe dafür an, Weltraumplasmaphysik zu betreiben.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Kapitel 2. Erforschung der Sonne und Heliosphäre

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird die Entdeckungsgeschichte solarer und heliosphärischer Phänomene beschrieben. Es werden vergangene und aktuelle Weltraummissionen vorgestellt, die für die Erforschung der Sonne und Heliosphäre, des Sonnenwinds und des Weltraumwetters sowie der planetaren Magnetosphären von großer Bedeutung sind. Außerdem werden neue bodengebundene, ballongetragene und von Raketen aus beobachtende Sonnenteleskope beschrieben sowie ausgewählte prominente Wissenschaftler und ihre Forschungsmethoden vorgestellt. Unter den Bedingungen im Weltraum müssen geeignete Messinstrumente und Messtechniken zum Einsatz kommen, von denen einige ausführlich erläutert werden. Es geht darum, geladene Teilchen und Photonen von der Sonne zu messen sowie elektromagnetische Wellen am Ort eines Raumfahrzeugs nachzuweisen. Moderne Methoden zur Berechnung von Plasmaprozessen mithilfe von Computern werden diskutiert.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Kapitel 3. Die magnetisch aktive Sonne

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden der innere Aufbau der Sonne und ihre Atmosphärenschichten beschrieben. Die solaren Magnetfelder werden in der Konvektionszone durch magnetische Induktion in Dynamoprozessen erzeugt. In der Sonnenatmosphäre lösen magnetische Rekonnexionsprozesse fortwährend Umstrukturierungen der Magnetfelder aus, die sich im Verlauf eines etwa elfjährigen Aktivitätszyklus verändern. Die Entstehungs- und Entwicklungsprozesse von Sonnenflecken, Fackelgebieten, Spikulen im magnetischen Netzwerk, Magnetfeldbögen, Gaswolken, Eruptionen und Masseauswürfen werden ausführlich diskutiert und anschaulich illustriert. Sporadische Eruptionen der Magnetfeldbögen und Protuberanzen in der Korona geben Anlass zu Auswürfen von Materie weit hinaus in die Heliosphäre. Solche Sonnenstürme bestimmen das Weltraumwetter entscheidend mit. Wichtige Begriffe aus der Magnetohydrodynamik werden erläutert und die grundlegenden Prinzipien solarer Dynamo- und Rekonnexionsprozesse genauer erklärt.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Kapitel 4. Der Sonnenwind im Weltraum

Zusammenfassung

Nach kurzer historischer Einführung werden in diesem Kapitel die Regionen der Heliosphäre beschrieben. Fundamentale Parameter des Sonnenwinds werden präsentiert und ihre Variationen im Verlauf des Aktivitätszyklus diskutiert. Der Sonnenwind besteht aus langsamen und schnellen Strömen, die ihren Ursprung in der magnetisch geschlossenen (als Magnetfeldbögen) sowie offenen Korona (in Koronalöchern) haben. Die Quellen des Sonnenwinds werden erläutert. Dabei sind magnetische Trichter im Netzwerk wichtig. Die basale Beschleunigung des Sonnenwinds erfolgt durch das elektrische Feld der Sonne und wird verstärkt durch den Impulsübertrag von Alfvén-Wellen. Koronale Masseauswürfe werden diskutiert. Turbulenz- und Wellenphänomene im Sonnenwind werden besprochen. Schwerpunkte sind dabei die Mikrophysik und kinetische Prozesse sowie die Geschwindigkeitsverteilungen von Protonen und Elektronen. Außerdem werden grundlegende Begriffe aus der Plasmaphysik und Plasmainstabilitäten erläutert.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Kapitel 5. Parker Solar Probe und Solar Orbiter

Zusammenfassung

In einer neuen Epoche der Weltraumforschung werden Sonne, Korona und Heliosphäre mit modernsten Instrumenten, geflogen auf den aktuellen Raumsonden Parker Solar Probe (PSP) der NASA und Solar Orbiter (SO) der ESA, in großer Sonnennähe untersucht. Die Nutzlasten und die einzigartigen Orbits beider Sonden werden beschrieben. sowie ihre wissenschaftlichen Ziele und einige erste Ergebnisse vorgestellt. Zum ersten Mal ist es der PSP gelungen, so dicht an die Sonne zu fliegen, dass sie sich sogar für einige Zeit innerhalb der Alfvén-Fläche in der Korona aufhielt. Im Sonnenwind wurden von PSP häufig sehr schnelle lokale Magnetfeldumkehrungen gemessen. SO fliegt mit seinen Kameras so dicht an die Sonne heran wie kein anderes Raumfahrzeug zuvor und lieferte die bisher bestaufgelösten Sonnenbilder im ultravioletten Licht. SO beobachtete zahlreiche Campfires, kleine lokale Aufhellungen im ultravioletten Licht, die wohl durch Rekonnexion magnetischer Feldlinien verursacht werden.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Kapitel 6. Hindernisse im Sonnenwind

Zusammenfassung

Auf ihrem Weg durch das Sonnensystem treffen die Sonnenwindströme und koronalen Masseauswürfe auf eine Vielzahl unterschiedlicher Hindernisse, die in diesem Kapitel überblickartig vorgestellt werden. Diese Hindernisse – kleinste Staubpartikel, Meteoride, Asteroiden und Kometen, Planeten und Monde – unterscheiden sich deutlich hinsichtlich ihrer Größen, Eigenschaften sowie Entfernungen von der Sonne. Trifft der Sonnenwind auf magnetisierte Hindernisse, so spürt er deren Magnetfeld zuerst, presst es sonnenseitig zusammen und erzeugt davor eine Bugstoßwelle. Der Sonnenwind umströmt solche Hindernisse seitlich und sorgt durch Faltung seiner magnetischen Felder für die Ausbildung langgestreckter magnetischer Schweife auf der sonnenabgewandten Seite. Dagegen werden nicht magnetisierte felsartige Hindernisse, auf deren harter Oberfläche sich kaum ionisierte Plasmamaterie ausbilden kann, vom Sonnenwind vergleichsweise ungestört und ruhig umströmt.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Kapitel 7. Kometen und ihre Schweife

Zusammenfassung

Wie in historischen Quellen aufgezeigt, haben die Bewegungen und Entwicklungen der Kometen am Sternenhimmel wegen ihrer hellen Halos und langgestreckten Schweife die Menschen seit Jahrtausenden schon immer tief beeindruckt und fasziniert. Auch deshalb ist ihnen in diesem Buch ein kurzes Kapitel gewidmet. Die Ausbildung des ausgedehnten Kometenhalos um den Kometenkern, des neutralen Gas- und Staubschweifs sowie des kollimierten Plasmaschweifs kommt durch die von der Sonnenstrahlung verursachte Ausgasung und dem Einfluss des magnetisierten Sonnenwinds zustande. Bei Kometen in großer Sonnennähe können die Fragmentation des Kometenkerns oder Schweifabrisse häufiger beobachtet werden. Über die chemische Zusammensetzung und Struktur eines Kometenkerns haben die Wissenschaftler viel Neues durch die Rosetta-Mission der ESA erfahren, die den Kometen Tschurjumow-Gerassimenko, beginnend 2014, zwei Jahre lang im Detail erforscht hat.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Kapitel 8. Magnetosphären, Ionosphären und Polarlichter

Zusammenfassung

Die massereichen Planeten stellen die größten Hindernisse für den Sonnenwind dar. Anhand von Polarlichtaufnahmen im sichtbaren und ultravioletten Licht, aber hauptsächlich durch In-situ-Messungen können Wissenschaftler auf die vielfältigen Wechselwirkungsprozesse des magnetisierten Sonnenwinds mit den Magnetosphären und Ionosphären der Planeten schließen. Die Planeten unseres Sonnensystems besitzen dynamogenerierte oder wie im Fall der Venus oder des Mars durch Ionenströme induzierte Magnetosphären, die von unterschiedlichen Raumsonden bereits intensiv erforscht worden sind. Dies ist eines der zentralen Themen dieses Kapitels, das mit einer kurzen historischen Einführung beginnt. Die Funktionsweise des Erddynamos, die Umpolungen des Erdmagnetfelds, die elektrischen Strahlungsgürtel und Stromsysteme in der Erdmagnetosphäre sowie die Kinematik darin gefangener geladener Teilchen und deren Bedeutung für das erdnahe Weltraumwetter werden ausführlich erläutert.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Kapitel 9. Erforschung des Weltraumwetters

Zusammenfassung

Die Erforschung des heliosphärischen Weltraumwetters, insbesondere in der Magnetosphäre und Ionosphäre der Erde, ist für die Menschheit im Zeitalter hochentwickelter Technik und anspruchsvoller Raumfahrtprojekte von großer Bedeutung. Mit den Strahlungsausbrüchen in solaren Flares, den magnetischen Eruptionen auf der Sonne und den Schwankungen im stetig strömenden Sonnenwind werden die Hauptverursacher des Weltraumwetters vorgestellt. Die dadurch ausgelösten erdmagnetischen Stürme beeinflussen die moderne Zivilisation und Raumfahrt. Sie können u. a. die Telekommunikation beeinträchtigen, elektrische Bauteile zerstören und die Gesundheit der Astronauten gefährden. In den Weltraumwetter-Vorhersagezentren muss deshalb rechtzeitig vor den Gefährdungen durch solare und heliosphärische Prozesse gewarnt werden. Am Ende dieses Kapitels wird über Erkenntnisse der Heliobiologie berichtet, die sich mit den möglichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit beschäftigt.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Kapitel 10. Mögliche Auswirkungen des Weltraumwetters auf das Erdklima

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die möglichen Auswirkungen des Weltraumwetters auf das Erdklima behandelt, welches sich in der Erdgeschichte meist relativ langsam, manchmal periodisch variierend oder aber auch plötzlich abrupt auf unterschiedlichsten Zeitskalen verändert hat. Von vielen Klimaforschern werden heute insbesondere die vom Menschen eingebrachten Treibhausgase, die durch Verbrennung von Kohle, Gas und Öl erzeugt werden, für die aktuell zu beobachtende Erderwärmung verantwortlich gemacht. Darüber hinaus gibt es aber eine Vielzahl anderer Einflussfaktoren auf das Klima, die überblicksartig vorgestellt werden. Zu diesen zählen u. a. die Variationen der Erdbahnparameter, die die Entwicklungen der Warm- und Kaltzeiten auf der Erde im Rahmen der Milanković-Zyklen auf ganz unterschiedlichen Zeitskalen mitbestimmen. Vor allem auch der mögliche Einfluss der solaren und aus dem interstellaren Medium von außen in die Heliosphäre eindringenden kosmischen Partikelstrahlung auf das Erdklima werden diskutiert.

Ulrich von Kusserow, Eckart Marsch

Backmatter

Titel: Magnetisches Sonnensystem
verfasst von: Ulrich von Kusserow
Eckart Marsch
Copyright-Jahr: 2023
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-65401-9
Print ISBN: 978-3-662-65400-2
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-65401-9

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