Die schwache Korona der Sonne scheint während einer totalen Sonnenfinsternis hell.
(Bild: © Miloslav Druckmüller / Peter Aniol / Vojtech Rušin / omubomír Klocok / Karel Martišek / Martin Dietzel)
In Südamerika werden Millionen von Augen zum Himmel gerichtet sein, wenn sich der Mond vor der Sonne bewegt, um heute (2. Juli) eine Sonnenfinsternis darzustellen. Während auf fast dem gesamten Kontinent der Mond mindestens einen Teil der Sonne bedeckt, erleben Himmelsbeobachter in Teilen Chiles und Argentiniens einige Momente der Tagesdämmerung, während der Mond die Sonne in einer totalen Sonnenfinsternis vollständig auslöscht.
Aber während die meisten Skywatcher den beeindruckenden Anblick genießen werden, werden einige das Ereignis kritischer und wissenschaftlicher betrachten. Die Sonnenfinsternis findet über dem Interamerikanischen Observatorium Cerro Tololo der National Science Foundation (NSF) in Nordchile statt, wo fünf Wissenschaftlerteams die Atmosphäre von Sonne und Erde während der Sonnenfinsternis untersuchen, um nur schwer sichtbare Beobachtungen zu erhalten in den flüchtigen Momenten der Dunkelheit des Tageslichts.
"Am 2. Juli werden Wissenschaftler mit NSF-Mitteln die wertvolle Gelegenheit einer totalen Sonnenfinsternis nutzen können, um die Korona der Sonne zu untersuchen", sagte David Boboltz, Programmdirektor von NSF, in einer Erklärung. Die Sonne bleibt 2 Minuten und 6 Sekunden am Teleskop verborgen.
Während sich der Mond während partieller Sonnenfinsternisse, die durchschnittlich einige Male im Jahr auftreten, häufig vor einem Teil der Sonne bewegt, ist die Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis vollständig blockiert. Der Unterschied zwischen einer totalen Sonnenfinsternis und einer partiellen Sonnenfinsternis ist dramatisch, selbst wenn 99% der Sonne abgeschirmt sind, und kann ein breiteres Spektrum wissenschaftlicher Experimente ermöglichen. Wenn der Sonnenkörper vollständig blockiert ist, wird die schwer fassbare innere Korona sichtbar.
Die aus extrem heißen Gasen bestehende Korona ist auf mysteriöse Weise heißer als die Oberfläche der Sonne. Trotz seiner hohen Temperatur ist es aufgrund seiner zarten Natur millionenfach dunkler als der sichtbare Sonnenkörper. Das Studium der Korona kann Einblicke in das von der Sonne erzeugte Weltraumwetter geben, das erhebliche Auswirkungen auf die Erde haben kann.
Jedes Team hat nicht nur wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse erbracht, sondern auch einen Plan zur Verbreitung von Sonnenfinsternissen aufgestellt, an dem einheimische chilenische und ausländische Studenten, Amateurastronomen und die breite Öffentlichkeit beteiligt sind.
Ein jahrzehntelanges Experiment
In den 1990er Jahren startete der amerikanische Astronom Jay Pasachoff ein Beobachtungsprogramm, das seitdem die wechselnde Sonne weiter überwacht. Durch die Messung der aktuellen Farbe, Form und Temperatur der Korona möchten die Wissenschaftler ihr Verständnis für die Eruptionen und Luftschlangen verbessern, die von der Sonne ausgehen.
Pasachoff, Astronomieprofessor am Williams College in Massachusetts, ist einer von drei Männern, die den Rekord für die Beobachtung der totalsten Sonnenfinsternisse halten. Er ist um die Welt gereist, um 70 Sonnenfinsternisse zu beobachten, davon 34 totale Sonnenfinsternisse.
"Jeder Blick auf die Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis - nur ein paar Minuten alle 18 Monate oder so - gibt uns eine Reihe anderer Merkmale, die wir betrachten können", sagte Pasachoff in der Erklärung.
Die Beobachtung der Merkmale der Sonne kann dazu beitragen, das Verständnis von koronalen Massenauswürfen (CMEs), Ausbrüchen von geladenem Material, das von der Sonnenoberfläche ausströmt, zu verbessern. Wenn sich diese Klumpen im Weltraum nach außen bewegen, können sie mit Planeten wie der Erde kollidieren und mit ihren Magnetfeldern interagieren. Im Jahr 1859 verursachte ein Solar-Supersturm, der als Carrington-Ereignis bekannt ist, Stromschläge und Kurzschlüsse entlang der Telegrafendrähte und ermöglichte sogar die Arbeit von Telegraphen, die von ihrer Stromversorgung getrennt waren. Ein ähnliches Ereignis könnte heute in einer weitaus elektronischeren Welt erhebliche Auswirkungen haben.
Pasachoffs Team wird auch große koronale Strukturen untersuchen, die als Streamer bekannt sind, die spitzen Regionen, die in den meisten Bildern der Korona vorkommen. Da die totale Sonnenfinsternis 2019 während eines relativ ruhigen Teils des 11-jährigen Aktivitätszyklus der Sonne auftritt, bietet sie einen seltenen Blick auf solare Polarfahnen, die Büschel offener Magnetfelder, die am solaren Nord- und Südpol erzeugt werden.
"Ich freue mich auch darauf, unsere Beobachtungen der Korona während der Sonnenfinsternis mit Vorhersagen zu vergleichen, die Kollegen vor der Sonnenfinsternis auf der Grundlage des Magnetfelds und der Sonnenflecken der Sonne im Vormonat treffen", sagte Pasachoff. Die Vorhersagen und Beobachtungen werden nach Abschluss der Sonnenfinsternis in Computerbildern kombiniert.
Die Temperatur der Sonne ändert sich auch im 11-Jahres-Zyklus. Durch die Messung von überhitztem Eisen in der Korona kann das Team die Gesamttemperatur der Korona messen, um zu untersuchen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert hat.
"Solar Wind Sherpas"
Ein zweites Forscherteam, bekannt als "Solar Wind Sherpas", wird die Korona der Sonne an drei verschiedenen Orten in Südamerika untersuchen. Unter der Leitung der Astronomin Shadia Habbal von der Universität von Hawaii wird diese Gruppe die Sonne von Cerro Tololo und zwei weiteren Orten in Argentinien aus untersuchen. Neben der Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, die Sonne bei klarem Wetter beobachten zu können, können die Forscher durch mehrere Standorte auch Änderungen der koronalen Struktur messen, die in sehr kleinen Zeiträumen auftreten.
Der Plan ist nicht neu. Das Team von Habbai verfolgte während der totalen Sonnenfinsternis am 21. August 2017 über den USA eine ähnliche Strategie. Ihr Ziel ist es, die Palette der in den Beobachtungen verwendeten Instrumente zu erweitern und verschiedene Wellenlängen zu untersuchen, die noch nicht untersucht wurden.
Die Astronomen planen die Verwendung von Multi-Wellenlängen-Bildgebung und spektroskopischen Messungen, die das Licht in seine Wellenlängen zerlegen, um die chemische Zusammensetzung, Temperatur, Dichte, Bewegung, die nicht mit Wärme zusammenhängt, und Abflüsse verschiedener Teile der Korona zu erfassen. Jedes Attribut wird in der Nähe der Sonnenoberfläche untersucht, wo die größte Änderung des solaren Magnetfelds auftritt und wo Sonnenwind- und koronale Massenauswürfe geboren und von der Sonne geschleudert werden.
Habbal sagte, die Sonnenfinsternis sei einzigartig, "weil sie am späten Nachmittag auftritt und die Sonne in sehr geringer Höhe steht. Außerdem ist die Sonne nahe am Sonnenminimum, so dass sich die Verteilung der Strukturen in der Sonnenkorona von vor zwei Jahren unterscheidet . "
"Eine großartige Leistung für die Citizen Science"
Astronomen des National Astronomical Observatory of Japan werden auch mehrere Stationen einrichten, um die Sonnenfinsternis zu untersuchen. Das Team von Yoichiro Hanaoka wird Beobachtungen der Korona in der Nähe der Oberfläche durchführen, einer Region, die für weltraumgestützte Observatorien wie das Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) und das Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) der NASA nicht sichtbar ist. Durch die Kombination der bodengestützten Bilder mit denen aus dem Weltraum können Hanaoka und seine Kollegen ein vollständiges Bild der Korona erstellen.
Hanaokas Team wird nicht vollständig aus Profis bestehen.
"Wir werden mit Amateurbeobachtern zusammenarbeiten, die auf dem Weg der totalen Sonnenfinsternis in Chile und Argentinien weit verbreitet sind, um Beobachtungen an mehreren Standorten zu organisieren", sagte er. Die Kombination all dieser Beobachtungen gibt einen Einblick in die Veränderung der Korona im Laufe der Zeit. "Es wird eine großartige Leistung für die Citizen Science", sagte Hanaoka.
Ein polarisierendes Projekt
Das Magnetfeld und die Strukturen der Korona spielen im Weltraumwetter eine grundlegende Rolle. Das Messen der Ausrichtung des solaren Magnetfelds kann bei Vorhersagen darüber helfen, was Weltraumwetterereignisse wie CMEs antreibt. Zuverlässige Messungen des Magnetfeldes bleiben jedoch eine Herausforderung.
Um das Magnetfeld der Sonne zu messen, müssen Wissenschaftler die Polarisation des von der Sonne kommenden Lichts messen. Wie polarisierte Sonnenbrillen filtern die Polarisatoren von Solarteleskopen das Licht, das nicht ihrer Ausrichtung entspricht.
"Durch Drehen dieser Polarisatoren können wir die Form des Magnetfelds auf der Sonne zusammensetzen", sagt Paul Bryans, ein Forscher der University Corporation for Atmospheric Research, der das Projekt zur Untersuchung des Magnetfelds der Sonne leiten wird. "Dies wird uns helfen zu verstehen, welche Arten von Magnetfeldkonfigurationen zu Eruptionsereignissen führen können", sagte er.
Zurück auf der Erde
Während die ersten vier NSF-Teams ihre Augen auf die Sonne richten, wird das fünfte den Blick fest auf die Erde richten. Unter der Leitung von Miquel Serra-Ricart, einem Forscher am Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) in Spanien, wird das Team Änderungen der Temperatur der Erdatmosphäre untersuchen, insbesondere der Ionosphäre - der oberen Schicht, die etwa 50 bis 600 Meilen ( 80 bis 1.000 Kilometer) über der Erdoberfläche - während sich der Mondschatten über das Observatorium bewegt.
"Eine totale Sonnenfinsternis erzeugt einen breiten, runden Bereich der Dunkelheit und stark reduziertes Sonnenlicht, das tagsüber auf einem relativ schmalen Pfad durch die Erdatmosphäre wandert", sagte Serra-Ricart. "Seine Wirkung auf die Intensität der Sonnenstrahlung ist bemerkenswert ähnlich wie bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang und es entstehen Veränderungen in der Erdatmosphäre, die wir messen möchten."
Das Team wird verfolgen, wie viel und wie schnell die Temperatur im Schatten sinkt, wenn die Erde vollständig von der Sonne bedeckt ist. Sie werden auch Veränderungen in der Ionosphäre verfolgen, um besser zu verstehen, wie sich dies auf den nächtlichen Fernfunkempfang auswirkt.
Obwohl der Mondschatten eine kurze nächtliche Ionosphäre erzeugt, unterscheidet er sich von der gewöhnlichen Abendatmosphäre.
"Der Mondschatten ist auf der Erde relativ klein und bewegt sich mit Überschallgeschwindigkeit. Er wird wahrscheinlich einige interessante Effekte hervorrufen, die bei normalen Radios oder kleinen Empfängern erkennbar sein könnten", sagte Serra-Ricart.
Dies wird nicht das erste Mal sein, dass die Ionosphäre während einer Sonnenfinsternis untersucht wurde. Während der Sonnenfinsternis 1999 über dem Vereinigten Königreich ermutigten Wissenschaftler die Menschen, ein Radio zu verwenden, um die Veränderungen in der oberen Atmosphäre zu verfolgen. Bürgerwissenschaftler schalteten einen Radiosender in Spanien ein, der in Großbritannien nachweisbar war, um festzustellen, wie weit die Radiowellen während der Sonnenfinsternis entfernt waren.
"Obwohl die ionosphärischen Effekte von Sonnenfinsternissen seit über 50 Jahren untersucht werden, bleiben viele Fragen offen. Wir wissen ungefähr, wie dies geschieht, aber nicht genau. Die Sonnenfinsternis gibt Forschern die Möglichkeit, den Lade- und Entladevorgang in nahezu Echtzeit zu untersuchen. ""
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