Messung der Sonnenaktivität mit Hilfe des Mögel–Dellinger-Effekts

Eine interessante Methode zur Messung der Sonnenaktivität nutzt Störungen aus, die Materie- und Strahlungsausbrüche der Sonne in der Ionosphäre der Erde verursachen, diese Erscheinung wird als Mögel–Dellinger-Effekt bezeichnet (Dellinger 1937).

Während des Tages ionisiert der energiereiche Anteil des Sonnenlichts (UV- und Gammastrahlung) Atome und Moleküle zu Ionen und freien Elektronen in der Ionosphäre und in der Nacht wieder rekombinieren diese wieder. So erklärt sich aus der variierenden Intensität des Sonnenlichts die schwankende Elektronendichte in den verschiedenen Regionen in der Ionosphäre. An Tagen bildet sich eine E, D, F1 und F2 Schicht aus, in der Nacht hingegen bilden sich die E und D Schichten zurück und die F1 und F2 Schicht kombinieren zur F-Schicht.

Elektronendichte und Temperatur mit der Höhe einer virtuellen Ionosphäre (IRI 2012) um 0:00 UT (blaue Linie) und um 12:00 UT (rote Linie).

Die Veränderung der Elekronendichte on der Ionosphäre ist mit relativ geringem technischem Aufwand messbar: Elektromagnetische Wellen mit sehr großer Wellenlänge (Längstwelle, englisch: VLF) werden an verschiedenen Schichten der Ionosphäre absorbiert und reflektiert. So überlagern sich Raum- und Bodenwelle ausgehend von einem Sender in Abhängigkeit von der Elektronendichte in der Atmosphäre an einem gegebenen Empfängerort. Konkret bedeutet dies, dass am Tage eine Raumwelle sowohl von der D und E Schicht teilweise absorbiert als auch von der F1 Schicht reflektiert wird. In der Nacht hingegen existierten weder D noch E Schicht in diesem Ausmaß und so wird die Raumwelle erst an der F Schicht reflektiert. Während des Übergangs von der Nacht zum Tag bzw. umgekehrt und der damit verbundenen Umstrukturierung der Ionosphäre zeigt die empfangene Signalstärke von VLF-Sendern einen ganz typischen Verlauf.

Laufwege von Raum- und Bodenwelle für VLF Radiosignale während des Tages und in der Nacht. Verschiedene Absorptionsbedingungen und Weglängen sind die Ursachen für unterschiedliche Signalstärke für Tag und Nacht am Empfängerort.

Auch im Verlaufe des Tages bleibt die Elektronendichte der verschiedenen Schichten der Ionosphäre nicht konstant, sondern ändert sich auf Basis der oben beschriebenen Ionisierungs- und Rekombinationsprozesse in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung.

Verlauf der Signalstärke für zwei VLF Sender (GCD grün, ICV lila) im Verlaufe von 24 Stunden. Ungefähr zwischen 2:30 und 5:30 Uhr ist der Übergang von der Nacht zum Tage und zwischen 18:30 und 22:30 Uhr jeweils für GQD zwischen Tag und Nacht deutlich erkennbar.

Kommt es nun zu einem Materieauswurf oder Strahlungsausbruch der Sonne hat dies sehr drastische Auswirkung auf die D Schicht der Ionosphäre: Die Elektronendichte erhöht sich um bis zu zwei Größenordnungen. Unter diesen Bedingungen wird dann die Raumwelle von der D Schicht nicht mehr absorbiert sondern reflektiert. Damit verkürzt sich der Laufweg der Raumwelle zwischen Sender und Empfänger und in Abhängigkeit von der neuen Phasenbeziehungen mit der Bodenwelle kommt es zu einer Änderung der gemessenen Signalstärke.

Verlauf der Signalstärke für zwei VLF Sender (GCD grün, ICV lila) im Verlaufe von 24 Stunden. ICV sendete zwischen 9:30 und 10:45 nicht. Drei Sonnenereignisse sind erkennbar (#8690, #8700, and #8740).

Weltweit verteilt gibt es verschiedene Stationen, die, oft 24 Sunden am Tag, im VLF Bereich senden, z.B. der Sender DHO in Rhauderfehn (Niedersachsen). Persönlich nutze ich die Sender GQD (Großbritannien), DHO (Deutschland) und ICV (Italien). Die Signale dieser Stationen empfange ich mit einer Nord/Süd ausgerichteten 1 x 1 m Drahtantenne mit 29 Wicklungen. Als Verstärker dient ein SuperSID Monitor des Stanford Solar Center. Das verstärkte analoge Signal wird von einem einfachen aber für meine Zwecke ausreichenden USB A/D Wandler (5€!) und einem Raspberry Pi digitalisiert. Dazu benutze ich das Softwarepaket supersid, es liest durchgehend die Daten vom A/D Wandler aus, verarbeitet diese (u.a. Mittelwertbildung und Fouriertransformation) und speichert die ermittelten Signalstärken für die drei VLF Sender alle 5 Sekunden auf dem Raspberry Pi.

Arbeitsablauf zur Erstellung der Grafiken des Verlaufs der Signalstärke der überwachten VLF Sender.

In meinem persönlicher Arbeitsablauf verarbeite ich diese Rohdaten einmal pro Woche: Ich übertrage sie auf einen anderen Rechner und erzeuge mittels eines kleinen Softwarepakets Grafiken mit dem Verlauf der Signalstärke der drei VLF Sender. Die Parameter der von mir in diesen Grafiken erkannten SID Signale (im wesentlichen Start- und Endzeitpunkt) erfasse ich in einem Tabellenkalkulationsprogramm. Aus diesen Daten heraus erzeuge ich monatlich eine Auswertung und stelle diese der AAVSO zur Verfügung.

Links

SID @ AAVSO
VLF Sender

Literatur

Dellinger, J H (1937): „Sudden ionospheric disturbances“. In: Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity. 42 (1), S. 49–53, DOI: 10.1029/TE042i001p00049.