Forschungsschwerpunkte – Benedikt Soja

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Forschungsschwerpunkte – Benedikt Soja
Dipl.-Ing. Benedikt Soja beschäftigt sich seit seiner Bachelorarbeit mit dem geodätischen
Messverfahren „Very Long Baseline Interferometry“ (VLBI, dt.: Radiointerferometrie auf langen Basen). Bei dieser Technik wird Radiostrahlung von fernen Galaxien durch Antennen
auf der Erde aufgezeichnet und zur genauen Positionsbestimmung verwendet. VLBI-Daten
sind einerseits zur präzisen Erstellung und Aufrechterhaltung von Vermessungs-Referenzrahmen auf der Erde und im Weltraum essenziell, andererseits auch zur Bestimmung von
Schwankungen der Erdrotation. Erdbezogene Referenzrahmen spielen in den Geowissenschaften eine wichtige Rolle, da sie durch ihre Langzeitstabilität die Erfassung gewisser Effekte des globalen Klimawandels ermöglichen, wie zum Beispiel des Ausmaßes des Meeresspiegelanstiegs. Weitere wichtige Anwendungsfelder sind das Studium der Plattentektonik,
von Deformationen der Erdkruste oder der nacheiszeitlichen Landhebung. Himmelsreferenzrahmen wiederum sind von größter Bedeutung in der Astronomie und Astrometrie und werden unter anderem bei der Navigation von Raumsonden und Satelliten benötigt. Während
Benedikt Soja sich im Rahmen seiner Bachelorarbeit mit der Korrektur relativistischer Effekte
beschäftigte, untersuchte er in seiner Masterarbeit die Eigenschaften der Atmosphäre der
Sonne, der sogenannten Sonnenkorona. In seiner Dissertation arbeitet er derzeit an der Anwendung eines Kalman-Filters für die VLBI-Auswertung.
Untersuchung der Sonnenkorona mit VLBI
Die Sonnenkorona ist der äußere Teil der Sonnenatmosphäre und besteht aus voll-ionisiertem Plasma, das Temperaturen von über eine Million Grad erreicht. Ihre Struktur ist geprägt
durch Variationen der Dichte der freien Elektronen, die die Korona ausmachen. Wenn Radiosignale die Sonnenkorona passieren, werden sie verlangsamt und abgelenkt. Das Ausmaß
dieser Veränderungen der Signalausbreitung ist abhängig von der Elektronendichte in der
Korona. Benedikt Soja ist es weltweit erstmals gelungen, aus VLBI-Beobachtungen von Radiosignalen, die von der Erde aus gesehen sehr dicht an der Sonne vorbeigehen, diese Effekte und damit auch die Elektronendichte der Korona zu bestimmen, wie er im multidisziplinären Journal „Nature Communications“ beschreibt. Auch konnte die Auswirkung von regionalen Dichteunterschieden und koronalen Massenauswürfen auf die VLBI-Daten quantifiziert
werden. Zusätzliche VLBI-Beobachtungen, die der „International VLBI Service for Geodesy
and Astrometry“ (IVS) unter anderem als Reaktion auf Benedikt Sojas Ergebnisse eingeplant
hat, werden in Zukunft zur Bestimmung von Zeitreihen der koronalen Elektronendichten, die
mehrere Sonnenzyklen überspannen, von großem Nutzen sein. So könnte der Zusammenhang zwischen Elektronendichte und Sonnenaktivität, die sich zum Beispiel durch die Anzahl
der Sonnenflecken charakterisieren lässt, untersucht werden.
Anwendung eines Kalman-Filters bei der Auswertung von VLBI-Daten
Koordiniert durch das IVS werden derzeit zwei bis vier ganztägige VLBI-Beobachtungssessions pro Woche durchgeführt. Es dauert im Regelfall zwei oder mehr Wochen, bis die Ergebnisse dieser Sessions verfügbar sind. Diese Verzögerung wird vor allem dadurch verursacht,
Forschungsschwerpunkte – Bernd Rendel-Preis 2015
Benedikt Soja
Stand August 2015
DFG
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dass in Anbetracht der extrem hohen Datenraten von bis zu 10 Gbit/sec nur wenige Radioteleskope über eine ausreichend schnelle Internetleitung verfügen, um einen sogenannten „etransfer“ der Beobachtungsdaten zu den Auswertezentren zu ermöglichen. Derzeit werden
die Daten daher auf Festplatten gespeichert und versandt. In Zukunft wird angestrebt, den
Zeitabstand zwischen Beobachtungen und Ergebnissen deutlich zu verkürzen sowie kontinuierliche Beobachtungen durchzuführen.
Hierzu sind neben technischen Verbesserungen auch Änderungen im Auswerteprozess notwendig. Die Methode der kleinsten Quadrate ist das klassische Verfahren, um im post-processing die gesuchten Parameter (z.B. atmosphärische Laufzeitverzögerungen oder Stationskoordinaten) zu bestimmen. Bei der Auswertung von Echtzeitdaten sind jedoch Algorithmen wie das Kalman-Filter notwendig. Dieses hat den Vorteil, die zeitliche Variabilität von
Parametern durch stochastische Modellierung realitätsnäher zu beschreiben, als dies durch
deterministische Modellierung mit der Methode der kleinsten Quadrate möglich wäre. In Zukunft könnten zum Beispiel auf diese Weise gewonnene Informationen über die Atmosphäre
in numerische Wettermodelle integriert werden, um die Wettervorhersage zu verbessern.
Echtzeitnahe Stationskoordinaten könnten unter anderem bei der Untersuchung von Erdbeben dienlich sein.
Benedikt Soja hat ein solches Kalman-Filter zur Auswertung von VLBI-Beobachtungen nutzbar gemacht und erste Ergebnisse zeigen vielversprechende Genauigkeitsverbesserungen
um bis zu 15 Prozent im Vergleich zu klassischen Auswertemethoden. Ein Fokus liegt auf
der Untersuchung der zeitlichen Variation des atmosphärischen Wasserdampfs und dessen
Einfluss auf die VLBI-Beobachtungen. Die Ergebnisse konnten durch ein verfeinertes
stochastisches Modell, das stationsabhängige Unterschiede berücksichtigt, noch weiter verbessert werden. Außerdem hat Benedikt Soja Änderungen der Stationskoordinaten innerhalb
eines Tages, verursacht durch variierende Auflasteffekte von Ozeanen, Atmosphäre und
kontinentalen Wasservorräten, untersucht. Die Erkenntnisse fanden Anwendung bei der Kalman-Filter-basierten Erstellung eines erdbezogenen Referenzrahmens, der im Vergleich zu
konventionellen Referenzrahmen besonders in Bezug auf jahreszeitliche und post-seismische Effekte Vorteile bietet.
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Benedikt Soja
Stand August 2015
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