STEREO - ein Frühwarnsystem im All

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Abbildung 1: Die Stereosonde mit ihren Instrumenten

STEREO - ein Frühwarnsystem im All

Die Erde ist den Launen der Sonne ausgesetzt: Wenn es zu einem gewaltigen Gasausbruch auf der Sonnenoberfläche kommt, dann wird besonders starker Sonnenwind durch den Weltraum geschleudert. Trifft er die Erde, erzeugt er nicht nur wunderschöne Polarlichterscheinungen am nächtlichen Himmel, sondern es kann auch das Kommunikationsnetz oder gar die Energieversorgung einer Region vollkommen zusammenbrechen. Überdies droht der Ausfall wichtiger Satelliten. Mehr noch: Kleinste, durchdringende Materie-Teilchen stellen eine ernste Gefahr für die Gesundheit dar - vor allem für im Weltraum arbeitende Astronauten und für Menschen in hoch fliegenden Flugzeugen.

  • Doppelmission der NASA: Zwei Augen im Weltraum verfolgen koronale Massenausbrüche in 3 Dimensionen von der Sonne bis zum Eintreffen auf der Erde. Sie verbessern Weltraumwettervorhersagen und warnen vor Teilchenstürmen und magnetischen Stürmen.
  • Raumsonde: Gebaut von Applied Physics Laboratory/ The Johns Hopkins University, USA
  • Start: Geplant Sommer 2006, Kennedy Space Center, Cape Canaveral mit einer Delta Rakete. Mit Hilfe der Mondanziehung werden beide Sonden das Schwerefeld der Erde verlassen und in eine Sonnenumlaufbahn gebracht, wobei eine der Erde vorauseilt, während die andere der Erde nachfolgt. Schon nach einigen Monaten sollen so stereoskopische Aufnahmen der Gasausbrüche auf der Sonne und Richtungsangaben des einhergehenden Teilchensturms ermöglicht werden.
  • Missionsdauer: 2 Jahre Primärmission, 5 Jahre erweiterte Mission

Die wissenschaftlichen Ziele von STEREO

Koronale Massenauswürfe auf der Sonnenoberfläche sind die energiereichsten Manifestationen von explosiven physikalischen Prozessen in unserem Sonnensystem. Die STEREO Mission soll zu ihrem besseren Verständnis auf folgenden Gebieten beitragen:

  • Solarer Ursprung und Entwicklung von koronalen Massenausbrüchen
  • Ausbreitung der Auswürfe und Störungen von der Sonne zur Erde
  • Beschleunigungsmechanismus der solaren energiereichen Teilchen
  • 3-dimensionale Struktur und Dynamik der Korona und der Heliosphäre

Die Kieler Beiträge

  • SEPT (Solar Electron and Proton Telescope):
    16 Detektoren sollen von der Sonne entgegengeschleuderte energiereiche Materieteilchen, Elektronen und Protonen, einfangen und nach Art, Energie und Einfallsrichtung unterscheiden im Energiebereich: Protonen 60 - 7000 keV, Elektronen: 20 - 400 keV. Das ausgeklügelte Experiment kann durch eine komplexe Anordnung von hauchdünnen Folien und ultrastarken Permanentmagneten Protonen von Elektronen trennen, aus denen die Teilchenstrahlung zu über 90 Prozent besteht. Da aber ein Proton 1800 mal schwerer ist als ein Elektron, geben Unterschiede in ihren Energien Auskunft über den Beschleunigungsmechanismus. Auch können Protonen größere Strahlenschäden anrichten, und so ist die Kenntnis der Zusammensetzung der Teilchenstrahlung von großer Bedeutung für die „Sturmwarnung“.
    Vom Instrument SEPT erhoffen sich die Wissenschaftler wichtige Erkenntnisse über
    • Energiefreisetzung und Beschleunigung der Teilchen in der solaren Atmosphäre
    • Beschleunigung und Ausbreitung der Teilchen im interplanetaren Raum
    • Korrelation mit Messungen bei optischen und Radio-Wellenlängen
  • PLASTIC (Plasma and Suprathermal Ion Composition):
    Das PLAsma and SupraThermal Ion Composition (PLASTIC) Instrument ist ein lineares Flugzeitmassenspektrometer, welches die wesentlichen Plasmaparameter (Dichte, Geschwindigkeit und Temperatur von Protonen und Alpha-Teilchen) und die Ladungszustände im Sonnenwind messen soll. Ferner soll es die Zusammensetzung der suprathermalen Teilchen bestimmen. Dafür ist ein großer dynamischer Bereich erforderlich (>106), welcher durch drei verschiedene Eintrittsöffnungen ermöglicht wird:
    • S-Shannel: Diese kleine Öffnung dient der Messung der häufigsten Ionen im Sonnenwind, Protonen (typisch 95%) und alpha-Teilchen (typisch 4%). Im Sonnenwind sind alle Teilchen etwa gleich schnell und haben entsprechend ihrer Masse und Ladung eine unterschiedliche kinetische Energie pro Ladung. Je größer die Masse, desto höher die Energie pro Ladung. Protonen und Alpha-Teilchen müssen also bei niedriger Energie pro Ladung auftreten, was eine Separation dieser häufigen Ionen von den viel selteneren schweren Ionen bereits am Eintritt in das Instrument ermöglicht.
    • Main Channel: Diese große Öffnung ermöglicht die Bestimmung der Zusammensetzung der seltenen schweren Sonnenwindionen (typisch 1% insgesamt) bei guter Zählstatisktik, also hoher Zeitauflösung. Wird die Zählrate zu hoch, wird auf den S-channel umgeschaltet, die durch den Main Channel eintretenden Ionen durch die Gate Elektrode um mehrere Größenordnungen (>106) unterdrückt.
    • Wide-Angle Partition (WAP): Die suprathermale Population im Sonnenwind kann von allen Seiten in das Instrument eintreten, während der Sonnenwind radial von der Sonne wegfließt. Damit kann diese äußerst seltene Teilchenpopulation in der WAP sauber nachgewiesen werden.
    Ein Ion ist für unsere Bedürfnisse durch die drei Größen Geschwindigkeit (und damit kinetische Energie), Masse und Ladung vollständig charakterisiert. Diese können mit PLASTIC gemessen werden. Dazu verwendet PLASTIC eine Kombination von drei Messungen, E/q wird festgehalten, Flugzeit- und Energiemessung. Ein Ion tritt durch das Eintrittssystem ein, und kann nur passieren, wenn seine Energie pro Ladung (Eq) in das Passband der toroidal gekrümmten und unter Hochspannung (0 bis ± 7 kV) stehenden Eintrittsplatten (Top-hat) fällt. Anschließend wird es über eine Potentialdifferenz von bis zu 25 kV nachbeschleunigt und trifft auf eine sehr dünne Kohlenstofffolie. Beim Durchqueren induziert das Ion die Emission von Elektronen, welche auf einen Start-Detektor (micro channel plates (MCPs)) treffen und dort die Flugzeitmessung auslösen. Beim Auftreffen auf einen Festkörperdetektor (solid-state detector, SSD) werden Sekundärelektronen emittiert, welche durch den Stop-Detektor gemessen werden und die Flugzeitmessung beenden. In den SSDs wird die Energie des Ion gemessen. Die (vektorielle) Geschwindigkeit kann durch richtungsaufgelöste Messung bestimmt werden.