CME-Geschwindigkeiten: Startwerte und Ankunftszeiten

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Michael Theusner
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CME-Geschwindigkeiten: Startwerte und Ankunftszeiten

Beitrag von Michael Theusner » 31. Okt 2021, 12:23

Hallo,

in den letzten Tagen gab es im Chat Diskussionen darüber, wie die Auswurfgeschwindigkeit eines CME und dessen Ankunft auf der Erde in Zusammenhang stehen. Man kann nämlich nicht einfach so die Auswurfgeschwindigkeit zur Berechnung der Reisezeit des CME zur Erde verwenden (Abstand Erde-Sonne geteilt durch Auswurfgeschwindigkeit).
Das liegt daran, dass die zuvor mit dem normalen Sonnenwind ausgestoßenen Teilchen (Elektronen, Protonen) im Weg sind und den CME abbremsen.

Um wirklich die Reisezeit des CME zur Erde abzuschätzen, habe ich Daten aus einer Liste mit allen CMEs seit Dezember 1996 verwendet (und nur die Full-Halo-CMEs genommen): http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/DATA ... table2.htm

Diese Tabelle enthält zwar nicht die Auswurfgeschwindigkeit aber die mittlere Geschwindigkeit vmittel des CME zwischen Erde und dem ACE-Satelliten sowie die am ACE gemessene Höchstgeschwindigkeit vmax der CME-Teilchen. Daraus lässt sich wiederum die Auswurfgeschwindigkeit v0 abschätzen (unter der Grundannahme, dass die Geschwindigkeit zwischen Sonne und ACE gleichmäßig abgenommen hat):
v0 = 2 vmittel - vmax

Es ergibt sich somit folgendes Bild für die Beziehung der Reisezeit zur Erde und der Auswurfgeschwindigkeit der Full-Halo-CMEs:
cme-reisezeit.jpg
Beispiel: bei einem CME mit einer Auswurfgeschwindigkeit von 1000 km/s würde die einfache Rechnung Abstand Erde-Sonne geteilt durch Auswurfgeschwindigkeit eine Reisezeit von 150000000 km / 1000 km/s = 150000 Sekunden = 41 Stunden 40 Minuten ergeben. In der Realität sind es aber 54 Stunden! Die schnellsten CMEs schaffen es trotz Abbremsung sogar in knapp unter einem Tag zur Erde (z.B. die vom 28. und 29.10.2003, die Punkte ganz rechts).
Über die im Diagramm angegebene Formel lässt sich die Reisezeit jeweils abschätzen wenn die Auswurfgeschwindigkeit eines CME bekannt gegeben wird. An der Streuung der Datenpunkte lässt sich erkennen, dass man dabei grundsätzlich mit einer Unsicherheit von grob +-6 Stunden rechnen muss.

Wie dann die Auswurfgeschwindigkeit und die am ACE-Satelliten gemessene Geschwindigkeit zusammenhängen, zeigt das folgende Diagramm:
cme-v-erde.jpg
Bei einer Auswurfgeschwindigkeit von z.B. 2000 km/s kommt der CME im Mittel nur noch mit 1000 km/s auf der Erde an. Die Streuung der Werte ist aber recht groß.

Daraus lässt sich auch noch berechnen, wie viele km/s ein CME im Mittel pro Stunde verliert zwischen Sonne und Erde. Für schnelle CMEs ist der Effekt umso größer:
cme-abbremsung.jpg
Dass CMEs, die sich mit nahe Sonnenwindgeschwindigkeit bewegen keine Geschwindigkeit verlieren, sollte klar sein: sie werden halt nicht vom ebenso schnellen Sonnenwind behindert, sondern schwimmen sozusagen mit ihm mit.

Viele Grüße
Michael

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Martin Hahn
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Re: CME-Geschwindigkeiten: Startwerte und Ankunftszeiten

Beitrag von Martin Hahn » 31. Okt 2021, 22:02

Hallo Michael,

Vielen Dank fürs Aufbereiten und Teilen dieser Daten!
Ich finde es faszinierend, dass der erste Plot eine ziemlich "saubere" Kurve ist, ich hätte eine größere Streuung als +-6h erwartet.
Clear Skies!
Martin

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Re: CME-Geschwindigkeiten: Startwerte und Ankunftszeiten

Beitrag von Sven Lüke » 1. Nov 2021, 09:00

Top Auswertung! Sollte idealerweise oben im Forum angepinnt werden, damit es nicht verloren geht und mit den zukünftigen Ereignissen dann abgeglichen werden kann...

Sven

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Re: CME-Geschwindigkeiten: Startwerte und Ankunftszeiten

Beitrag von Steffen Hildebrandt » 1. Nov 2021, 10:00

Hallo Michael,

danke fü Deinen Beitrag - der ist sehr aufschlußreich!

Ich schließe mich Sven an - der Beitrag sollte angepinnt werden.

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Michael Theusner
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Re: CME-Geschwindigkeiten: Startwerte und Ankunftszeiten

Beitrag von Michael Theusner » 1. Nov 2021, 17:30

Danke an euch alle.

Ich muss da aber noch ein paar einschränkende Worte einbringen.

Natürlich klingt das erst einmal gut, dass es bei Kenntnis der Auswurfgeschwindigkeit mit einer Ungenauigkeit von nur +-6 Stunden möglich sein sollte, die Ankunft auf der Erde zu berechnen. Was ist nun aber eigentlich die Auswurfgeschwindigkeit, die ich hier unter gewissen Annahmen berechnet habe?

Das ist nicht so einfach zu beantworten. Zum einen ist sie ja rückwirkend unter Kenntnis der an der Erde gemessenen Werte berechnet. Die kennt man aber natürlich nicht wenn der CME noch nicht auf der Erde angekommen ist.
Zum anderen, was ist dieser Wert eigentlich, den ich ermittelt habe? Ist der mit den Werten vergleichbar, die aus den Fotos der Sonnenbeobachtungssatelliten berechnet werden? Und offenbar (siehe Link unten) meist das Mittel der CME-Geschwindigkeit über einige Sonnenradien ist?

Außerdem ist die vereinfachte Grundannahme, dass die Geschwindigkeit gleichmäßig abnimmt zwischen Sonne und Erde, nicht korrekt. Aber mit meinen einfachen Bordmitteln war das ja nicht anders möglich.

Ermutigend ist aber, wenn ich mir Fachveröffentlichungen zu dem Thema anschaue, dass deren Ergebnisse tatsächlich sehr ähnlich sind, was die Startgeschwindigkeit und die Ankunftszeit auf der Erde angeht: https://link.springer.com/article/10.10 ... 019-1470-2

Also: wenn man nun die Auswurfgeschwindigkeit genau kennen würde, könnte man die Ankunftszeit recht genau vorhersagen. Aber die ist halt nicht so genau bekannt. Insofern ist die Unsicherheit letztendlich höher als +-6 Stunden. An der Grundaussage ändert sich aber nichts.

Gruß, Michael

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Re: CME-Geschwindigkeiten: Startwerte und Ankunftszeiten

Beitrag von StefanK » 1. Nov 2021, 17:42

Hallo Michael,

die Ungenauigkeit in den Plots dürfte auch auf Events wie das aktuelle zurückgehen, bei denen durch vorauslaufende CMEs eine stärkere Abbremsung erfolgt als im Durchschnitt. Dank Deiner Arbeit haben wir jetzt jedenfall seinen guten Anhaltspunkt. Wenn man weiß, ob die CME eher mit 500 km/s oder eher mit 1000 km/s eintreffen wird, kann man doch etwas realistischer einschätzen, was an PL in unseren Breiten zu erwarten ist.

Viele Grüße aus Oberursel,

Stefan

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