Sonnenforschung mit Ballonteleskopen 2. Lehrerfortbildung am Schauinsland Observatorium, 2. Oktober 2004 Vom (Spektro-)Stratoskop zu Sunrise Sonnenforschung mit Ballonteleskopen Dr. Michael Sigwarth Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen Übersicht: Wer spricht zu Ihnen? Warum Sonnenforscher in bzw. über die Luft gehen Historischer Überblick: Instrumente und Wissenschaft Das Sunrise Projekt Nach Abitur und Berufsausbildung Studium der Physik. Diplomarbeit am KIS. Danach USA Aufenthalt und Promotion am KIS in mit experimenteller Arbeit. Post Doc in USA. Seit 3 Jahren Leiter der Technischen Abteilungen mit ca. 20 Mitarbeitern. Projektmanagment und Koordination zw. Wissenschaft und Technik. Als Projektwissenschaftler involviert in bodengebundene und Satellitenbasierte Instrumentierung. M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Warum in die Luft gehen zur Sonnenbeobachtung? Räumlich und zeitlich hochaufgelöste Sonnenbeobachtungen Beobachtungen im UV Langzeitbeobachtungen Motivation für Langzeitbeobachtungen klar: je nach Orbit bzw. Flugroute keine Tag/Nacht Zyklen Atmosphäre schützt (noch) vor UV-Strahlung. Viele interessanten hochenergetischen Prozesse sind aber nur im UV und Röntgenlicht zu beobachten M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Der Einfluss der Erdatmosphäre: „Seeing“& Filter Beispiel: Beobachtung des Merkurtransits vom 07. Mai 2003 am VTT. (D. Soltau und „KAOS“-Team) M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Etwas „Atmosphären-Optik“: Luft ist optisch wirksames Medium. Brechungsindex n ist abhängig von Druck und Temperatur Atmosphäre ist turbulent. Änderungen geschehen schnell (100-1000Hz) und über kleine Skalen (cm - einige Meter) Die räumliche und zeitliche Variation des Brechungsindex begrenzt das optische Auflösungsvermögen Turbulenz ist höhenabhängig Fata Morgana: starke Temperaturschichtung (über Wüstenboden, Strassen, Wasser) führt zu starker Refraktion Cn²: Varianz des Brechungsindex (auch Struktur Konstante der Brechungsindex genannt) W/m²lamda: Spektrale Bestrahlungsstärke M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

„Optisches Fenster“ wird durch Atmosphäre begrenzt Druckeinheit: hekto-Pascal (10²) 1hPa = 1 mBar Ozonschicht in ca. 30 km Höhe. Bei Spaltung der Ozon Atome O² + UV  2 O  O + O²  O³ M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Drei Möglichkeiten der Atmosphäre zu entkommen: Ballistische Rakete Ballonflug Weltall M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Vergleich von Ballon und Satelliten basierten Missionen: Nutzlast Ca. 2 Tonnen (einschl. Gondel) Einige 100 kg Vorlaufzeit 5 – 10 Jahre 10 – 15 Jahre Kosten 23 Mio € (Sunrise) 250 – 1000 Mio. € Datenraten On board Telemetrie Missionsdauer 10 – 20 Tage Jahre λ - Bereich > 250nm unbeschränkt Missionstyp „Experiment“ „Observatorium“ M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Geschichte der Ballon gestützten Sonnenbeobachtung: 1949 erster Nachweis von solarer UV- und Röntgenstrahlung mit Hilfe einer V2 Rakete (US, NRL) 1956/57 US Ballonflüge unterhalb der Tropopause (6 – 8 km Höhe) 1957-59 Stratoscope (US, mehrere Flüge) 1969 Inbetriebnahme des ersten Vakuum Turm Teleskops (US) 1966-73 SSO (Soviet Stratospheric Observatory) 1975 Spektrostratoskop (KIS, 2 Flüge) 1999 Adaptive Optik für Sonnenbeobachtung verfügbar 2000 Flare Genesis (US, 2 Flüge) 2008 Sunrise (Intern.) Ca. 2012 ATST geht in Betrieb (US mit intern. Beteil.) M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Schwierigkeiten bei Ballonflügen: Instrumente müssen „nahezu“ automatisch funktionieren Aufwendige Bildstabilisierung notwendig Während des Aufstiegs sind die Instrumente hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt Im Flug wirken starke Temperaturgradienten auf die Instrumente Datenspeicher müssen „geborgen“ werden M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen Stratoscope 1957/59 Instrument: 30cm Newton Reflektor mit 35mm Filmkamera Bildstabilisierung: Photoelektrischer Servo Fokus: Beobachtung bei verschiedenen Fokuseinstellungen Ziel: hochaufgelöste Aufnahmen der Photosphäre. Tricky Fokusiermechanismus. Letztlich aber nur ganz wenige scharfe Bilder M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen Spektrostratoskop (1975) Planungen beginnen 1962. Unter Leitung des damaligen Fraunhofer-Instituts wird von Zeiss ein 32cm Newton Reflektor mit hochauflösendem Littrow Spektrographen gebaut. Bildstabilisierung: Mehrstufiger, Photoelektr. Servo; Fokusbestimung durch Kontrastmessung Ziel: hochaufgelöste Zeitserien von Integralaufnahmen und Spektren. Erster Flug 1968: keine Daten wegen technischer Probleme Zweiter Flug im Mai 1975 von Palestine/Texas. Flugdauer12h, davon 6h Beobachtung, in 28 km Höhe. Startfahrzeug: „Ting Tim“ M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Der Flug von Spektrostratoskop: M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Wissenschaftliche Resultate: Keine Fleckenbeobachtung möglich Erstmals gelangen Zeitreihen hochaufgelöster Granulationsbilder. Zahlreiche Publikationen zur Morphologie und Intensitätsverteilung der Granulation. Direkter Nachweis von kleinen Granulen (200km) Räumliche Auflösung der Spektren war nicht befriedigend. M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen Flare Genesis (2000) Langzeitflug in der Antarktis Zum Zeitpunkt des Fluges größtes Sonnenteleskop für Hochauflösung: 80cm Ritchy-Chretien mit Leichtgewichtsspiegel. Open-Loop Bildstabilisierung Filter Vektor Magnetograph (Fabry Perot basiert) mit CCD Kamera Ziel: Entwicklung von Sonnenflecken & die Entstehung von Flares beobachten M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen Flare Genesis M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Flare Genesis: Wissenschaftliche Resultate „nur“ 40 GB (komprimierter) Daten Probleme durch Vibrationen und Dejustierung Beste räumliche Auflösung nur 0,5“ (theo. 0,17“) Vektormagnetogramme von „Emerging Flux“ (ca. 4h) M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Flare Genesis: Wissenschaftliche Resultate M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen Sunrise (2008) Langzeitflug in der Antarktis 1 m Gregory Teleskop mit neuartigem Siliziumcarbid Leichtgewichtsspiegel Spalt- und Filter Spektropolarimetrie, Imaging, UV Beobachtungen 2-stufiges System zur Bildberuhigung und innovatives „Autofokus System“ (KIS) M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

Sunrise Wissenschaftliche Ziele: Räumlich höchstaufgelöste Aufnahmen der Photoshäre im UV Post-Fakto Bildrekonstruktion Spektropolarimetrie bei hoher Auflösung: Natur der kleinskaligen Magnetfelder; solare Variabilität; Heizung der Korona. Langzeitbeobachtungen α=λ/D Bei 200nm theoret. 0,05“ (35km). Wenn man konsistent 100km erreicht ist das schon ein großer Fortschritt M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen Sunrise Internationales Projekt unter Leitung des MPS in Katlenburg-Lindau Weitere Partner: KIS, HAO (USA), IAC und Partner (Spanien) Gefördert durch DLR, NASA und PNE M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen Sunrise Zeitplan: 2004 – 2005: Bau Teleskop und Instrumente 2006: Integration und Tests 2007/2008: 1. Flug in der Antarktis M. SIgwarth, Sonnenforschung mit Ballonteleskopen

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