Untersuchung der Sonnenkorona mit VLBI

Abstract

Radiobeobachtungen nahe der Sonne reagieren empfindlich auf die dispersiven Einflüsse der Sonnenkorona. Diese Sensivität kann unter anderem dazu dienen, die Elektronendichte in der Korona zu bestimmen.<br />Obwohl Beobachtungen der geodätischen Radiointerferometrie auf langen Basen (VLBI) nahe der Sonne bereits vor 2002 durchgeführt worden waren (danach jedoch eingestellt wurden), wurden sie noch nicht zur Berechnung von Elektronendichten der Korona verwendet. Fast zehn Jahre später entschied der International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS), zwölf 24-Stunden-VLBI-Sessions in den Jahren 2011 und 2012 zu planen, die Beobachtungen näher als 15 Grad zum Heliozentrum enthalten.<br />Ausgehend von den durch Zwei-Frequenz-VLBI-Beobachtungen abgeleiteten ionosphärischen Laufzeitkorrekturen wurden andere dispersive Effekte wie instrumentelle Laufzeitverzögerungen und insbesondere der Einfluss der Ionosphäre der Erde bestimmt und eliminiert. Die residualen Laufzeitverzögerungen wurden verwendet, um Parameter von Potenzgesetzen der Elektronendichte der Sonnenkorona für diese Sessions zu bestimmen.<br />Verschiedene Vorgangsweisen und Parametrisierungen für die Parameterausgleichung wurden getestet und bezüglich ihrer Möglichkeit, die genauesten Ergebnisse zu liefern, evaluiert. Weiters wurde eine Methode vorgestellt, Parameter der Sonnenkorona aus einer Kombination von VLBI- und GNSS-Daten abzuleiten.<br />In manchen Fällen schlugen geplante Beobachtungen nahe der Sonne fehl, wodurch es unmöglich wurde, aussagekräftige Ergebnisse von ihnen abzuleiten. Sowohl die erfolgreichen als auch die fehlgeschlagenen Beobachtungen wurden mithilfe von externen Informationen analysiert. Die geschätzten Elektronendichten wurden mit Indikatoren für Sonnenaktivität (zum Beispiel Sonnenfleckenzahlen oder Strahlungsflussmessungen) verglichen. Für die Sessions in 2011 und 2012 konnte ein Mittelwert von (7,0 +/- 1,0) 1011 [10 hoch 11] m-3 [m hoch -3] als Elektronendichte an der Sonnenoberfläche unter Annahme einer quadratischen radialen Abnahme bestimmt werden. Die im Laufe dieser Arbeit zum ersten Mal mit VLBI bestimmten Modelle passen gut mit früheren Modellen der Sonnenkorona zusammen, die aus Radiomessungen zu Raummissionen während solarer Konjunktionen bestimmt worden waren.<br />Bisher sind die Koronaparameter aus VLBI-Beboachtungen von etwas niedrigerer Qualität als jene, die aus Raummissions-gebundenen Messungen abgeleitet wurden. Dies könnte sich mit dem kommenden VLBI2010 System, welches die Genauigkeit und Verlässlichkeit von sonnennahen Beobachtungen deutlich verbessern soll, ändern. Ein wichtiger Vorteil von VLBI ist die Möglichkeit, die Elektronendichte regelmäßig zu überwachen und so eine homogene Zeitreihe zu erstellen. Dies könnte unser Verständnis von zeitabhängigen Prozessen der Sonne verbessern.<br />

Radio observations close to the Sun are sensitive to the dispersive effects of the Sun corona. This has been used to determine (among other parameters) the electron density in the corona during solar conjunctions with spacecrafts. Although geodetic Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations close to the Sun have already been performed before 2002 (but suspended afterwards) they have not yet been used for calculations of corona electron densities. Almost 10 years later the International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS) decided to schedule twelve 24 hour VLBI sessions in 2011 and 2012 including observations closer than 15 degrees to the heliocenter. Both the recent and the earlier sessions are analysed in order to determine electron densities of the Sun corona. Based on the ionospheric delay corrections derived from two-frequency VLBI measurements, other dispersive effects like instrumental biases and, most important of all, the Earth's ionosphere effects are estimated and then eliminated. The residual delays are used to successfully determine power-law parameters of the electron density of the Sun corona for these sessions. Different approaches and parametrizations for the adjustment are tested and evaluated for their ability to produce most accurate results. A method to derive solar corona parameters from a combination of VLBI and GNSS data is portrayed as well. In some cases, scheduled observations close to the Sun had failed, making it impossible to derive meaningful results from them. Both, the successful and the lost observations were analysed including external information. The estimated electron densities were compared with indicators for solar activity (e.g. sunspot numbers and solar flux measurements). For sessions in 2011 and 2012 a mean value of (7,0 +/- 1,0) 1011 [10 hoch 11] m-3 [m hoch -3] for the electron density at the Sun's surface was determined assuming a radial quadratic decrease. The models created while working on this thesis are the first ones utilizing VLBI data and agree well with previous models of the Sun corona derived by radio measurements to spacecrafts during solar conjunctions. So far, the VLBI-derived corona parameters have lower quality than those derived from spacecraft-bound measurements. This could change with the forthcoming VLBI2010 system which is expected to considerably increase the accuracy and reliability of observations close to the Sun. An important advantage of VLBI is the possibility to monitor the electron density on a regular basis and to create a homogenous time series. This could improve our understanding of time dependent Sun processes.<br />