Polarlicht jetzt?

Nowcasting mit Daten-Produkten: Wo ist das Aurora-Oval gerade? Wie hell leuchtet die Aurora? Ist ein Substorm in Gange? Wann kommt der nächste Substorm?

Inhalt

Einige Grafiken sind farblich invertiert um bei der hier sonst dunklen Seite die Augen zu schonen.

Bodengestützte Magnetometer-Daten

Norwegische Linie

Magnetometer – Horizontale Komponente H – Norwegische Linie vom Tromsø Geophysical Observatory
Erklärung, Links

Um festzustellen, ob in der Ionosphäre ein Strom fließt, wie stark er ist und in welche Richtung können wir uns die Änderung der horizontalen Komponente (Bx, By) bodengestützter Magnetometer anschauen. Wenn ein elektrisches Feld existiert, also ein Strom fließt, gibt es auch immer ein magnetisches. Wenn sich die Stärke eines magnetisches Felds ändert, fließt auch immer ein Strom. Somit können wir mit Magnetfeldmessungen die elektrische Aktivität über uns bestimmen und daraus ableiten wie stark und wo die Aurora leuchtet.

Das norwegische Geophysikalische Observatorium in Tromsø stellt ein Tool zur Verfügung, mit dem man sich selbst seine Lieblings-Magnetometer in einem Stapeldiagramm zusammenstellen kann. Oben zu sehen eine Auswahl an Stationen der „norwegischen Linie“ von 69°N bis 59°N von der Tromsø bis Karmøy mit der horizontalen Komponente H, die den Stromfluss nach Osten oder Westen anzeigt. Mit der Z-Komponente (vertikale Komponente, zeigt zum oder weg vom Erdmittelpunkt) lässt sich die Nord- und Südgrenze des Ovals bestimmen aber nur sehr schwer bis gar nicht die Intensität.

Mit etwas Übung (z.B. bei gleichzeitiger Beobachtung einschlägiger Webcams) lässt sich anhand der Grafik sehr zuverlässig feststellen, wann und wo die Aurora leuchtet. Wenn die Station „RVK“ (Rørvik, 64°N) eine Abweichung von -200nT in einer halben Stunde aufweist, kann man im hohen Norden (54°N) mit ziemlicher Sicherheit mindestens fotografisches Polarlicht sehen. Wichtig: Die Skala ändert sich je nach Aktivität – oben rechts wird angezeigt wieviel 200nT sind.

Mit Klick auf das Bild öffnet sich die Seite, auf der die Grafik eingebettet ist. Mit der Maus über die Kürzel fahren zeigt die Namen der Stationen (geht nicht auf Touchscreens). Im „Realtime“ Modus lädt sich die Grafik alle 2 Minuten neu. Mit D, H, Z, I und F lassen sich die verschiedenen Komponenten umstellen (ich empfehle immer H auszuwählen), mit den grünen Buttons kann man komfortabel durch die vergangenen Tage klicken und so überprüfen, ob auf dem Foto, was man vorgestern gemacht hat wirklich Aurora zu sehen ist oder nur ein violett leuchtendes Gewächshaus. „To Menu“ bringt einen zur Übersichtsseite auf der man z.B. auch finnische Magnetometer, solche in Kanada, USA, Grönland oder Deutschland sehen kann.

Magnetometer Heatmap H, Z

Heatmap der norwegischen Linie von aurora.mtwetter.de zeigt, wo die Substorm-Aktivität am stärksten ist
Heatmap der Z-Komponente zur Bestimmung des Aurora-Ovals: Maxima im Positiven und Negativen bilden die nördliche und südliche Grenze.
Erklärung, Links

Auf aurora.mtwetter.de gibt es Heatmap-Diagramme der norwegischen Linie, die habe ich etwas umgefärbt, damit man besser unterscheiden kann zwischen den 5 Zuständen neutral (orange), leicht positiv (magenta), stark positiv (blau, cyan), leicht negativ (gelbgrün, grün), stark negativ (grün/cyan/weiß/grau):

Am rechten Bildrand jeweils die Kürzel der Magnetometer-Stationen, links die geografische Breite von 56° bis 76° N. Sehr interessant auch die Tabelle am Ende der Seite, die zeigt, wie weit südlich das Oval sein muss, damit bei uns der untere Teil als grüner Bogen sichtbar ist. Ist 60°N die Südgrenze so ist der Bogen in Berlin (52,5°N) bspw. bereits 4,3° über dem Horizont. 60°N ist in etwa die Breite von Oslo, Stockholm, Helsinki und St. Petersburg.

Wahrscheinlichkeit (Echtzeit-Diagramm)

Polarlichtwahrscheinlichkeit für 52.5°N 10.0°E – aurora.mtwetter.de – mit Mondphasen, Mond- und Sonnenaufgang sowie Dämmerungsphasen – Zeiten in UTC – bereits bei 10% Wahrscheinlichkeit konnte subvisuelles Polarlicht im Norden nachgewiesen werden
Ableitung der Wahrscheinlichkeit der Sichtbarkeit aus Norwegischer Linie

Weiterhin gibt es auf aurora.mtwetter.de Diagramme, die die aus den Magnetometerdaten berechnete Wahrscheinlichkeit für Polarlicht-Sichtbarkeit anzeigen – mit Auto-Update Funktion. Im hier gezeigten Beispiel für 52,5°N und 10°E. Schon bei einer Wahrscheinlichkeit von knapp unter 20% fotografisch (subvisuell) konnte ich fotografisches (subvisuelles) Polarlicht am Nordhorizont ausmachen, manchmal ist aber auch bei 70% noch nichts zu sehen.

Oben im Beispiel-Bild zu sehen noch die Mondphase und mit grünen Lämpchen versehen die Verfügbarkeit der einzelnen Messstationen. Außerdem als Dreiecke am oberen Rand des Diagramms die Dämmerungsphasen und unten Mondauf- und Untergang. Die gleiche Grafik zusammen mit einer Prognose für Sichtbarkeit innerhalb der nächsten Stunde abgeleitet aus Messwerten des Sonnenwinds gibt es ebenso.

Wahrscheinlichkeit (Echtzeit-Karten)

Rx-Index Norwegen & R-Index Finnland

Der R- oder RX-Index für einzelne Stationen gibt an, wie stark sich einzelne Komponenten des Erdmagnetfelds innerhalb einer bestimmten Zeitspanne ändern („R“ für „rate“ vermute ich). Beim Rx wird nur die x-Komponente, also hinzu oder weg vom geomagnetischen Nordpol, beim R-Index werden alle drei Ebenen des kartesischen Koordinatensystems Bx, By und Bz berücksichtigt. Rx ist etwas überempfindlich und eigentlich eher geeignet, GICs (geomagnetisch induzierte Ströme) vorherzusagen, aber mit etwas Übung lässt sich auch damit gut abschätzen, wie die Entwicklung des Ovals bezüglich Stärke und Position verläuft.

Für den finnischen R-Index gilt: Ab etwa 100nT ist am Standort die Aurora sichtbar. Sind Stationen in Südfinnland dabei, ist die Aurora auch bei uns zu sehen – umso südlicher und stärker umso wahrscheinlicher. Auf der Seite des Finnischen Meteorologischen Instituts sind auch Diagramme mit Zeitachse für die einzelnen Stationen verfügbar. Die Grafik mit ganz Skandinavien und der „Real-time ground disturbance“ (RX) stammt vom formidablen TGO Tromsø – site.uit.no/spaceweather, das jetzt auch Nowcast, +1h und +4h für den Brocken und für Hamburg anbietet mit Sternenkarte und allem Pipapo. Die oben eingezeichneten Längen- und Breitengrade zeigen geomagnetische Koordinaten mit den geomagnetischen Polen als Referenzpunkte. Der geomagnetische Nordpol befindet sich in der Nähe von Thule, Nordgrönland

Echtzeitkarten: ROTI

Eine weitere ROTI-Variante stammt vom Norwegischen Amt für Kartographie „Kartverket“, zu finden auf der Raumwetter-Seite des Tromsø Geophysical Observatory TGO unter „Real-time Ionospheric Disturbances of GNSS
Echtzeitmessung der Änderung des Anteils der Elektronen in der Ionosphäre (ROTI) Bodengestützt – GNSS Satelliten-gestützt

Eine weitere sehr zuverlässige Methode, die genaue Lage und stärke des Polarlicht-Ovals zu bestimmen ist die Zuhilfenahme von Global Navigation Satellite Systems (GNSS) wie GPS (USA), GLONASS (Russland), Galileo (Europa) und Beidou (China). Dafür werden die Daten von Empfangsstationen am Boden ausgewertet, zusammengeführt und eine zweidimensionale Karte erstellt. Anhand der Abweichung bestimmter Parameter wird zunächst der Total Electron Content TEC der Ionosphäre abgeleitet. Aus der Änderung der Werte pro Gitterpunkt je Minute wird der Rate of TEC Index ROTI abgeleitet. Eigentlich ist ROTI vor allem für Nutzer von Funkdiensten gedacht, um Vorhersagen für Störungen beim Kurzwellen-, VHF-, UHF- und Satellitenempfang (insbesondere GNSS) treffen zu können. Ein praktischer Neben-Nutzen: Wir können die Lage der Aurora auf der Karte live verfolgen. Auf dieser Website in der Seitenleiste (Desktop: an der rechten Seite, Mobilgeräte: unter dem Artikel) ist das One minute mean ROTI, Europe vom IMPC Neustrelitz zu sehen, weitere ROTI-Datenprodukte sind One minute mean ROTI, Global, One minute maximum ROTI, Europe und One minute maximum ROTI, Global. Rote Gitterpunkte = hier ist die Aurora.

Globale Indizes (Boden-Magnetometer)

Erklärungen in Kürze

PC-Index

AE-Index

Kp-Index, Hp30-Index

Hp30 Index der letzten zwei Tage, Grafik von Michael Theusner, Daten vom GFZ Potsdam

DST-Index

DST-Index der letzten zwei Wochen vom ASWO Graz bereitgestellt

Kurzfristvorhersage aus Sonnenwind-Daten

Echtzeit Sonnenwind-Daten

AE-Index Vorhersage (IRF)

IRF Schweden AE, AU und AL Vorhersage
Auch das schwedische Institutet för rymdfysik bietet Datenprodukte für Aurora-Chaser an

Auch das schwedische Institutet för rymdfysik bietet Datenprodukte für Aurora-Chaser an, am hilfreichsten aus meiner Sicht die aus Sonnenwind-Daten abgeleitete Vorhersage für den AE-Index. Beim Echtzeit AE-Index vom WDC Kyoto ist 500nT die Schwelle für visuelles Polarlicht in der Aurorazone, bei dieser Prognose ist sie niedriger, meine ich. Die hier gewählte Darstellung der Nord-Süd-Komponente des interplanetaren Magnetfelds Bz (nicht zu verwechseln mit dem oben beschriebenen Bz-Wert des Erdmagnetfelds – etwas völlig anderes!) lässt sehr gut Tendenzen nach Norden oder Süden erkennen, besser als in herkömmlichen Diagrammen mit gleichfarbigen schmalen Linien.

Boyle-Index, Polar Cap Potential

IMF Clock Angle
IMF „Clock Angle“ aus Bz und By mit Cross Polar Cap Potential vom australischen Bureau of Meteorology
Boyle Index aka Asymptotic Polar Cap Potential der RICE Universität – Ab 100 kV steigt bei uns die Wahrscheinlichkeit, Polarlicht zu sehen
Maß für die magnetische Konvektion ermittelt aus dem Sonnenwind (Bz, By, Bt, v)

Maß für die magnetische Konvektion ermittelt aus dem Sonnenwind (Bz, By, Bt, v). Synonyme: Asymptotic Polar Cap Potential, Polar Cap Potential (PCP), Cross Polar Cap Potential (CPCP), Cross Polar Cap Potential North (CPCPN), Cross Polar Cap Potential South (CPCPS) oder in der Zeigergrafik einfach „Convection“. Die Formel wurde empirisch ermittelt, mit dem PCP kann man u.a. den AE-Index und den Kp-Index vorhersagen. Ab einem Wert von 100kV steigt in Mitteleuropa die Wahrscheinlichkeit, die Aurora zu sehen.

CPCP = 10E-4 Vsw^2 + 11.7 B (sin(theta/2))^3
ΦA = 10−4v2+11.7B sin3 (θ/2) kV
B = Bt, Theta = IMF 360° Clock Angle aus By und Bz; v = Sonnenwind-Geschwindigkeit

agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/96JA01742 Boyle, 1997, Empirical polar cap potentials

Newell Coupling

Newell Coupling vom ASWO Graz berechnet. Das Ergebnis der Formel ist eine fünf bis sechsstellige Zahl, deswegen wird der Wert nochmal durch 4421 geteilt, um benutzbare ein bis zweistellige Werte zu erhalten. Ab einem Wert von 5 kann man von visueller Aurora in Mitteleuropa ausgehen.
Eine Alternative zum Polar Cap Potential

Eine Alternative zum Polar Cap Potential ist die ebenfalls nicht-lineare Kopplungs-Funktion von Newell, die ebenfalls empirisch ermittelt wurde und ähnlich gut das Polarlicht-Potential vorhersagen kann. Sie gibt das Maß der Kopplung des interplanetaren Magnetfeldes mit dem Erdmagnetfeld an und benutzt ebenfalls die Parameter v, Bz, By und Bt. Sie wird NOAA/SWPC benutzt, um das Ovation Prime Modell anzutreiben sowie um den aktuellen Kp-Index vorherzusagen. Etwa 70% aller Substürme können sicher vorhergesagt werden, der Rest entsteht spontan und entzieht sich (noch) einer Vorhersage.

dΦMP/dt = v4/3BT2/3sin8/3c/2)

agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2006JA012015 Newell, 2007, A nearly universal solar wind-magnetosphere coupling function inferred from 10 magnetospheric state variables

Ovation Prime Model, Hemispheric Power

Achtung! Es zeigt nicht die aktuelle Lage des Ovals an!

Das empirische Ovation Prime Modell wird mit Daten aus dem Sonnenwind (Newell Coupling) berechnet und zeigt die Wahrscheinlichkeit für die Sichtbarkeit der Aurora an einem bestimmten Ort an. Es gibt ganz grob an, was allgemein zu erwarten ist. Es zeigt nicht die aktuelle Lage des Ovals an! Auch spontane Substürme werden nicht erfasst. Aus der berechneten „Hemispheric Power“, also hemisphärischen Leistung kann in etwa die Helligkeit der Aurora abgeschätzt werden. Ab etwa 50GW steigen in Mitteleuropa die Chancen auf Polarlicht etwas, ab etwa 80GW deutlich.

Ovation Prime – NOAA Version 90° gedreht
Ovation Prime – NOAA Version
Ovation Prime NOAA Version bei spaceweatherlive.com

Apps, WebApps

in Arbeit

Unverzichtbar: Automatisierte Push-Services (via Telegram)

Webcams

D, A, CH – Intervall ≤ 10 Minuten

D, A, CH – Intervall > 10 Minuten

Osten

Westen

Wolken

EUMetSat Satellitenansicht Nebel (Mikrophysik Nacht)

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