Die ehrgeizigen Pläne, die Sonne während der Sonnenfinsternis im April zu untersuchen

In ganz Nordamerika werden Solarwissenschaftler die totale Sonnenfinsternis im April untersuchen, um den seltsamsten Teil der Sonne zu untersuchen: die Korona.

Er wird flüchtig als heller Halo gesehen, der nur während der Totalität erscheint, und ist im sichtbaren Licht millionenfach schwächer als der Rest der Sonne. Die Korona ist außerdem eine Million Grad heißer als die Sonnenoberfläche oder Photosphäre, die nur etwa 6000 °C erreicht, und erstreckt sich Millionen Kilometer in das Sonnensystem hinein.

In der Korona wirken die Magnetfelder der Sonne auf geladene Teilchen und bilden komplexe Formen, die unter anderem als Streamer, Schleifen und Plumes bekannt sind. Das Verständnis der Korona wird uns helfen, den Sonnenwind vorherzusagen, den Strom geladener Teilchen, der von der Sonne in den Weltraum geschleudert wird. Dies ist die Ursache für Polarlichter, stellt aber auch eine potenzielle Bedrohung für Astronauten, Satelliten und Stromnetze dar.

Die Erwartungen an die totale Sonnenfinsternis am 8. April sind himmelhoch, denn die totale Sonnenfinsternis wird – wenn die Sonne vollständig bedeckt ist – bis zu 4 Minuten und 27 Sekunden dauern – die längste derartige Zeitspanne an Land seit über einem Jahrzehnt. Hier sind einige der Experimente, die stattfinden werden.

Die Sonnenwind-Sherpas

Shadia Habbal, Sonnenforscherin am Institut für Astronomie der Universität Hawaii, ist seit fast 30 Jahren auf der Jagd nach Sonnenfinsternissen und nutzt dabei spezielle Filter und Kameras, um die Temperaturen der Partikel aus dem innersten Teil der Korona zu messen.

Habbals Gruppe, die heute als Solar Wind Sherpas bekannt ist, hat so weit entfernte Orte wie die Marshallinseln, Kenia, die Mongolei, den norwegischen Archipel Spitzbergen, die Antarktis und Libyen bereist. Bei jeder Sonnenfinsternis, die teilweise nur wenige Sekunden dauert, bilden Habbal und ihr Team mithilfe ihrer Filter ein Bild der Korona ab. Durch die Untersuchung der verschiedenen Wellenlängen des Lichts, das von geladenen Eisenpartikeln in der Korona emittiert wird, können sie Temperaturen ermitteln.

Meistens verlassen sich Sonnenphysiker, die die Korona untersuchen, auf Koronographen weltraumgestützter Observatorien, die eine Scheibe an einem Teleskop verwenden, um die Sonne abzuschirmen. Aber diese Geräte verdecken den innersten Teil der Korona, die Quelle von Plasmatürmen, die Protuberanzen genannt werden, und Eruptionen, die koronale Massenauswürfe genannt werden.

„Beobachtungen während der Totalität sind entscheidend“, sagt Habbal. Es gibt keine andere Möglichkeit, den Teil der Sonnenatmosphäre zu sehen, der sich kontinuierlich von der Oberfläche über mindestens 5 Sonnenradien erstreckt. „Das ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis, wie die Sonnenatmosphäre bei der Sonne beginnt und sich dann in den interplanetaren Raum ausdehnt“, sagt sie. Nur dann können genaue Computermodelle entwickelt werden, die die Korona simulieren und bei der Vorhersage des Weltraumwetters helfen.

In den letzten Jahren hat Habbals Gruppe eine erstaunliche Entdeckung gemacht. Derzeit steuert die Sonne auf ihr Sonnenmaximum im Jahr 2025 zu, dem aktivsten Punkt in ihrem 11-Jahres-Zyklus, wenn der Sonnenwind stärker wird. Da die Korona bei totalen Sonnenfinsternissen im Sonnenmaximum viel größer aussieht, wurde angenommen, dass der Sonnenzyklus und die Temperatur der Korona untrennbar miteinander verbunden sind. Aber so einfach ist es vielleicht nicht.

Im Jahr 2021 veröffentlichten Habbal und ihre Kollegen Forschungsergebnisse aus Beobachtungen von 14 totalen Sonnenfinsternissen, die darauf hindeuten, dass die Temperatur der Korona nicht vom Sonnenzyklus abhängt. Die Linien des Sonnenmagnetfelds können offen sein und sich mit dem Sonnenwind nach außen bewegen, oder geschlossen sein, da sie heißer sind und Schleifen bilden. „Wir haben unabhängig vom Zyklus überall offene Feldlinien gefunden“, sagt Habbal. Das bedeutet, dass die Korona eine annähernd konstante Temperatur hat.

Die Überflieger

Schlechtes Wetter verhindert seit 2019 Beobachtungen. „Wir hatten 2020 Regen in Chile, 2021 Wolken auf dem Meer in der Antarktis und 2022 gab es keine Sonnenfinsternis“, sagt Habbal. Während der Expedition in die Antarktis schlug Teammitglied Benedikt Justen vor, das nächste Mal einen Drachen steigen zu lassen, der mit einem Spektrometer ausgestattet ist, das Licht in seine Wellenlängenbestandteile zerlegt.

Der von der NASA finanzierte Drachen mit einer Flügelspannweite von 6,5 Metern wurde während einer totalen Sonnenfinsternis im April 2023 in Westaustralien erfolgreich getestet. Er wurde an einer kilometerlangen Leine an einem Fahrzeug gestartet. „Es war ein ziemliches Wunder“, sagt Habbal. Schlechtes Wetter führte dazu, dass das Team den ersten Flug nur 45 Minuten vor dem Totalausfall absolvierte. „Es war aufregend.“

Wenn die Technologie bei der bevorstehenden Sonnenfinsternis gut funktioniert, wird der Drachen in Zukunft häufiger eingesetzt, wahrscheinlich mit zusätzlichen Kameras. „Es ist viel einfacher und billiger als die Verwendung von Luftballons“, sagt Habbal. Aber wenn es nicht funktioniert, gibt es immer ein Backup.

Während der totalen Sonnenfinsternis werden zwei WB-57-Flugzeuge einander mit einer Geschwindigkeit von 740 Kilometern pro Stunde folgen, etwa einem Viertel der Geschwindigkeit des Mondschattens, knapp südwestlich des maximalen Punktes der Sonnenfinsternis. Bei dieser Geschwindigkeit erhöht sich die Gesamtzeit von 4 Minuten und 27 Sekunden für diejenigen, die es vom Boden aus betrachten, auf über 6 Minuten. „Die WB-57 ist hierfür perfekt geeignet, da sich in ihrem Nasenkegel ein Kamera- und Teleskopsystem befindet, das sich drehen kann, um auf alles zu zeigen … egal in welche Richtung das Flugzeug fliegt“, sagt Amir Caspi vom Southwest Research Institute in Boulder, Colorado , der im zweiten WB-57 ein Experiment leitet, um die Korona auf andere Weise zu untersuchen.

Mithilfe einer stabilisierten Plattform werden Caspi und sein Team Bilder der Sonnenfinsternis aufnehmen, wobei sie sowohl eine Kamera für sichtbares Licht als auch eine von der NASA entwickelte Kamera mit höherer Auflösung im mittleren Infrarotbereich verwenden. Letzteres wird sieben verschiedene Lichtwellenlängen einfangen und dabei helfen, zu bestimmen, welche Strukturen in der Korona ihr eigenes Licht aussenden und welche lediglich Licht von der Sonnenoberfläche streuen. „Um diese Beobachtungen machen zu können, müssen wir so weit wie möglich über der Atmosphäre sein“, sagt Caspi. Infrarotlicht wird von der Erdatmosphäre absorbiert und ist vom Boden aus schwer zu beobachten.

Die Livestreamer

Caspi ist auch Teil des Citizen Continental-America Telescopic Eclipse (CATE)-Projekts, einem Versuch, einen kontinuierlichen 60-minütigen hochauflösenden Film zu erstellen, bei dem 35 Teams von Bürgerwissenschaftlern auf dem Weg der Totalität von Texas bis Maine unterwegs sind, jedes mit dem Sie verfügen über die gleichen Kameras, Teleskope und die gleiche Ausbildung, damit sie genau die gleichen Beobachtungen machen können. „Die Teams werden so verteilt, dass jede Station von ihren Nachbarn überlappt wird“, sagt Caspi. „Wenn eine Station aufgrund von Wolken oder defekter Ausrüstung keine Daten erhält, ist das in Ordnung.“

Er ist zuversichtlich, dass die Ausrüstung funktionieren wird, da sie letztes Jahr in Westaustralien erfolgreich getestet wurde. „Das war die erste Sonnenfinsternis, die ich gesehen habe“, sagt Caspi, der nur ein paar kurze Sekunden zu sehen bekam, weil er damit beschäftigt war, sie live auf YouTube zu streamen. „Unsere Geräte konnten nicht online gehen, also habe ich die ganze Zeit mein Telefon vor mein Gesicht gehalten.“

Sonnenfinsternis 2024

Am 8. April wird eine totale Sonnenfinsternis über Mexiko, die USA und Kanada hinwegziehen. Unsere Sonderserie deckt alles ab, was Sie wissen müssen, von der Frage, wie und wann Sie sie sehen sollten, bis hin zu einigen der seltsamsten Sonnenfinsternis-Erlebnisse in der Geschichte.

Der Film wird es Wissenschaftlern hoffentlich ermöglichen, die Komplexität der Korona zu untersuchen, insbesondere ihre Form und wie sie sich innerhalb kurzer Zeit verändert. Es baut auf einem CATE-Projekt aus dem Jahr 2017 auf, bei dem auf dem gesamten Weg 68 Kameras zum Einsatz kamen. Dieses Mal werden anspruchsvollere Kameras verwendet, die auf verschiedene Arten von polarisiertem Licht reagieren.

„Das meiste Licht, das man während der Totalität sieht, ist tatsächlich Licht von der Sonnenoberfläche, das in die Korona aufsteigt, um dort Elektronen zu streuen“, sagt Caspi. Dies ist die K-Korona, der helle innere Teil, der das Licht überstrahlt, das nur von der Korona selbst kommt. Wenn das Licht gestreut wird, wird es abgewinkelt, eine Eigenschaft, die Polarisation genannt wird. „Wenn man den Polarisationswinkel messen kann, erhält man eine dreidimensionale Struktur der Korona, ihre Dichte und wie sich diese im Laufe der Zeit verändert“, sagt er.

Da bei einer totalen Sonnenfinsternis die Zeit knapp ist, ermöglicht ein kontinuierliches, einstündiges Video die Erfassung von Prozessen, die Sekunden oder Minuten dauern, wie etwa eine Sonneneruption oder einen koronalen Massenauswurf, sowie andere Details. „Die Korona ist von einem komplizierten Magnetfeld durchdrungen“, sagt Caspi. „Während der Totalität sehen wir nicht das Magnetfeld, sondern das darin eingeschlossene heiße Plasma – so, als ob wir Eisenspäne um ein Magnetfeld um einen Magneten herum sehen könnten.“