Mysterium Magnetfeld und Aktivität der Sonne

Die Sonne ist ein aktiver Stern.
Das können wir bereits mithilfe der visuellen Beobachtung sehen: an ihrer Oberfläche zeigen sich immer wieder dunkle Gebilde, die sog. Sonnenflecken [1] (Abb. 1). Dabei handelt es sich um etwa 1.000 Grad kühlere Gebiete der Sonnenoberfläche, deren mittlere Temperatur bei rund 6.000 Grad liegt.

Abb. 1 Sonnenflecken. © SOHO

Die Ursache des solaren Motors vermutet man im Magnetfeld [1] des Sternes und dieses als Ergebnis des sog. solaren Dynamos. Man vermutet, dass das Magnetfeld der Sonne, das für das Erscheinen der Sonnenflecken verantwortlich ist, durch die Strömung elektrisch leitfähiger Materie im Sonneninneren entsteht, dem Sonnendynamo.

Abb. 2 Schematischer Zusammenhang von Sonnenflecken und dem
Magnetfeld der Sonne. Die Pfeile kennzeichnen die Magnetfeldlinien,
die zwischen Sonnenflecken ein- und austreten.

Der Ursprung und der Mechanismus des Magnetfeldes der Sonne bleibt ein Mysterium – zumindest was das gegenwärtig gültige Sonnenmodell betrifft.

Zu diesem Schluss kommen die Forscher, wenn sie den Ursprung und den Mechanismus der Sonnenflecken, der Flares [1] und der hohen Temperatur der Sonnenkorona [1], der „Atmosphäre“ der Sonne, erklären sollen.

Keine bisher bekannte Theorie kann erklären wie das Magnetfeld der Sonne entsteht, das für zahlreiche beobachtbare Phänomene verantwortlich ist.

Bisherige Sonnenmodelle
In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts schlug Eugene Parker [1] in seiner Theorie des Sonnendynamos [1] vor, dass die Ströme, die durch geladene Teilchen in der Konvektionszone [1] der Sonne bestehen, Magnetfelder induzieren und diese zur Oberfläche gelangen. Auf ihrem Weg zur Sonnenoberfläche verdrehen sich die Magnetfelder durch die Korioliskraft [1]. Während eines Sonnenzyklus „verschmelzen“ die Magnetfeldlinien und bilden ein großskaliges Magnetfeld der Sonne aus.

Abb. 3 Schematischer Aufbau des Sonnendynamos.
Unterhalb der Sonnenoberfläche befindet sich die Konvektionszone.
Die Richtung der Magnetfeldlinien der nördlichen und südlichen
Hemisphäre verläuft entgegengesetzt. © http://www.eike-klima-energie.eu

Im dem Parker-Modell folgenden Babcock-Leighton-Modell (sog. α-Effekt) [1] der Sonne verdreht die differentielle Rotation [1] der Sonne die Magnetfelder und sorgt dafür, dass die Magnetfeldlinien enger zusammengepresst sind. Das Ergebnis dieses Prozesses ist die Bildung von Sonnenflecken [1]: zu Beginn eines Sonnenfleckenzyklus bilden sich die Sonnenflecken bei hohen Breiten; danach bewegt sich diese Sonnenaktivität in Richtung niedrigere Breiten.

Beide Modelle können zahlreiche Beobachtungen des Sonnenfleckenzyklus erklären, jedoch ist eine Vorhersage der Länge des Zyklus nicht möglich. Zudem können die Modelle nicht erklären, wie das an der Sonnenoberfläche beobachtete Magnetfeld tatsächlich entsteht. Berechnungen zeigen, dass das Magnetfeld der Sonne nicht in einer turbulenten Konvektions- oder Strahlungszone entstehen kann.

Wie entsteht das Magnetfeld der Sonne? - Die Dynamo-Theorie
Die Forscher glauben, dass der solare Dynamo, der die Aktivität der Sonne antreibt, aus zwei Prozessen besteht: dem Lokalen und dem Globalen Dynamo.

Der Lokale Sonnendynamo erzeugt die kleinskaligen magnetischen Strukturen auf der Sonnenoberfläche durch den Fluss geladener Teilchen in der granularen Konvektion.
Dagegen ist der Globale Dynamo für die Erzeugung und Entwicklung der wichtigen großen Strukturen der Sonne verantwortlich, beispielsweise die Sonnenflecken. Der Dynamo erzeugt die Änderungen, die während eines Sonnenzyklus auftreten sowie die globale magnetische Polarität [1] der Sonne.

Fehlschlag der Dynamo-Theorie
Jedoch zeigen aktuelle Beobachtungen der Sonnenaktivität durch Satelliten und Weltraumobservatorien, dass die Dynamo-Theorie die Aktivität der Sonne nicht erklären kann. Insbesondere hochauflösende Bilder der Sonnenoberfläche des Sonnenobservatoriums der NASA [1], das Solar Dynamic Observatory (SDO) [1], zeigen, dass ein Umdenken notwendig ist. (Die hochauflösende Kamera des SDO analysiert die Bewegung der Sonnenoberfläche durch Konvektion.)

Bei der Analyse der SDO-Daten fanden die Wissenschaftler, dass die Geschwindigkeit der solaren Plasmabewegungen etwa 100 Mal langsamer ist als im gültigen Sonnenmodell angenommen. Wenn dies richtig ist, kann das bisher gültige Sonnenmodell unmöglich die Erzeugung des solaren Magnetfeldes erklären; wahrscheinlich bedeutet es, dass wir die Physik im Sonneninneren nicht wirklich verstehen.

Woher stammt das Magnetfeld der Sonne?
Ebenso ist die Herkunft des Magnetfeldes der Sonne unklar:
bisher nahmen die Forscher an, dass sich die Sonne aus einer riesigen Wolke interstellaren Gases durch den Kollaps der Materie gebildet hat, und das heutige Magnetfeld der Sonne ein Überbleibsel des damals vorliegenden Magnetfeldes ist. Diese Theorie steht nun in Frage.

Bei jungen Sternen beobachtet man neben der enormen Aktivität ein stetiges Abflauen ihres Magnetfeldes während einigen Millionen Jahren nach ihrer Entstehung. Demnach sollte das Sonnenmagnetfeld (nach 4,6 Milliarden Jahren Lebenszeit) wesentlich geringer sein als beobachtet.

Zahlreiche theoretische Physiker glauben dennoch, dass das Magnetfeld der Sonne in Überbleibsel aus ihrer Frühphase ist und es in der Strahlungszone, rund 100.000 Kilometer unterhalb der Oberfläche, gefangen ist. Dieses primordiale Sonnenmagnetfeld soll stärker als eine Millionen Gauß [1] sein. Diese Vorstellung kann durch keine moderne Beobachtung bewiesen werden. Messungen der SOHO-Sonde [1] zeigen, dass die Stärke des solaren Magnetfeldes bei lediglich etwa 30 Gauß liegt.

Magnetische Zyklen der Sonne
Was wissen wir über die Zyklen der Sonne? Die langjährigen Beobachtungen der Sonnenaktivität zeigen, dass die Sonne zwei Zyklen besitzt: innerhalb eines 11-jährigen Zyklus ändert sich das Auftreten der Sonnenflecken und mit einem 22-jährigen Zyklus das Magnetfeld unseres Sternes.

Das Magnetfeld der Sonne polt sich stets in der Nähe des Maximums der Sonnenfleckenaktivität um. Dabei zeigt der aktuelle 24. Sonnenzyklus eine hohe Nord-Süd-Asymmetrie der Umkehr des Magnetfeldes: das nördliche Magnetfeld hat sein Vorzeichen etwa ein Jahr vor dem südlichen Magnetfeld geändert [2]. Die Asymmetrie macht sich im Auftreten der Sonnenfleckenaktivität bemerkbar (Abb. 4).

Abb. 4 Asymmetrie der Sonnenfleckenaktivität im 24. Zyklus.
Links: Sonnenflecken der nördlichen Hemisphäre im November 2011,
rechts: Sonnenfleckenverteilung auf der südlichen Hemisphäre im
Januar 2014. © sidc.oma.be

Nord-Süd-Asymmetrie und Aktivitätsminimum
Eine starke Nord-Süd-Asymmetrie der magnetischen Aktivität der Sonne (Abb. 4) könnte ein Hinweis auf einen Übergang zu einem großen Aktivitätsminimum sein. Am Ende des Maunder-Minimums [1] (1645-1715) befanden sich sämtliche Sonnenflecken auf der südlichen Halbkugel der Sonne.

Wir befinden uns gegenwärtig (seit fünf Jahren) im Sonnenfleckenzyklus Nummer 24: inzwischen wissen wir, dass dieser Sonnenfleckenzyklus zwei Maxima enthält. Das erste Maximum der Aktivität wurde im Februar 2012 erreicht. Danach stieg die Zahl der Sonnenflecken erneut an und erreichte im September 2014 das Niveau des ersten Maximums. Ein doppeltes Maximum ist nichts Besonderes, jedoch enthält der aktuelle Sonnenfleckenzyklus erstmals ein 2. Maximum, das höher ist das das erste. Die beiden Maxima weisen eine komplizierte Struktur auf. Dabei ist das gegenwärtige Maximum das kleinste seit dem Zyklus 14 (Maximum im Februar 1906).

Das Maunder-Minimum fand im Zeitraum 1645-1715 statt und zeichnete sich durch eine stark verringerte Sonnenfleckenaktivität aus. Während des Minimums sanken die Temperaturen in Europa, Nordamerika und China. Während der sog. Kleinen Eiszeit [1] traten zahlreiche sehr kalte Winter auf. Dem gegenüber stehen die Wärmeperioden wie beispielsweise die im Mittelalter vor rund 1.000 Jahren, die römische Wärmeperiode vor rund 2.000 Jahren, die ägyptische und minoische Wärmeperioden vor rund 3.000 und 4.000 Jahren und die gegenwärtige Wärmeperiode (Abb. 5).

Abb. 5 Mittlere Temperaturen in Zentral-Grönländ während der letzten 3.000 Jahre.
Die Maxima entsprechen Wärmeperioden zur minoischen, römischen Zeit und im
Mittelalter.  (Temperaturangabe in Grad Celsius, Alter in Tausend Jahren)
© US Navy

Es ist sehr gut möglich, dass die Wärmeperiode im Mittelalter im Zeitraum 900-1200 durch eine erhöhte Aktivität der Sonne ausgelöst wurde.

Sonnenaktivität und Klima
Der Sonnenphysiker Mark Giampapa* [3] weiß, dass Wetter und Klima zwei unterschiedliche Begriffe sind, dennoch gibt es seiner Auffassung nach zahlreiche Hinweise, dass die Sonne einem großen Aktivitätsminimum entgegenfährt (Abb. 6). Dabei könnte die Sonnenfleckenaktivität so ähnlich sein wie im Maunder-Minimum: Giampapa erwartet für Nordeuropa zumindest im Winter niedrige Temperaturen wie in den 2. Hälfte des 17. Jahrhunderts. Seine Behauptung macht der Sonnenphysiker an dem Rückgang der Zahl der Sonnenflecken, der der mittleren Magnetfeldstärke der Sonne und dem gesamten Abschwächen des solaren Magnetfeldes fest.

Abb. 6 Prognose für das nächste Aktivitätsminumum der Sonne.  © US Navy

Derartige Minima der Sonnenaktivität scheinen nichts Besonderes für Sterne zu sein: wahrscheinlich sind sie Teil des normalen Lebens eines sonnenähnlichen Sternes. Aus Beobachtungen anderer Sterne wissen die Forscher, dass große Aktivitätsminima während rund 15 Prozent der Aktivitätsphase auftreten können.

In der Vergangenheit traten bereits Sonnenaktivitätsminima auf:
die Aufzeichnung der Sonnenfleckenaktivität wurde zwar erst nach der Nutzung des Fernrohrs für astronomische Zwecke festgehalten, jedoch kennt man den Verlauf des Sonnenfleckenzyklus in der Vergangenheit aus Eiskernbohrungen. Die Ergebnisse der Bohrungen zeigen, dass Aktivitätsminima mindestens 15 % der Sonnenaktivität ausmachen.

Falls wir uns wirklich auf dem Weg in ein Maunder-Minimum ähnliches Aktivitätsminimum der Sonne befinden, könnte es bis zum Jahr 2080 andauern, so Giampapa. Dieses Minimum könnte es sich durch Kältephasen ausdrücken oder auch lokale extreme Klimaphänomene wie anomale Temperaturen oder Stürme.

Das CLOUD-Experiment am CERN
Auch ein Wissenschaftler des CERN [1], der Direktor des CLOUD-Experimentes (Cosmics Leaving OUtdoor Droplets) [1], Jasper Kirby, ist davon überzeugt, dass es zukünftig eine Veränderung der Sonnenaktivität geben wird [4]. Er behauptet, dass die Extrapolation der gegenwärtig beobachteten Sonnenaktivität in einer längeren Periode endet, die dem Maunder-Minimum ähnelt.

Kirby vermutet zudem einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Aktivität der Sonne und dem Einfluß kosmischer Strahlung [1] auf das Sonnensystem. In Zeiten hoher Sonnenaktivität wird die primär schädliche Strahlung aus dem Kosmos durch das Magnetfeld der Sonne um bis zu 30 Prozent gemindert. Die kosmische Strahlung kann die Erdatmosphäre ionisieren und auf diese Art und Weise auf das Erdklima einwirken. Insbesondere beeinflusst die auf die Erdatmosphäre treffende kosmische Strahlung die Wolken(bildung).

Die CLOUD-Experimente des CERN [5] zeigen, dass kosmische Strahlung die Bildung von Kondensationskernen von Gasen um einen Faktor zehn erhöht und damit Einfluss auf die Bildung von Wolken nimmt. Neueste Experimente zeigen, dass auch andere Gase Einfluss auf diesen Prozess haben, möglicherweise handelt es sich dabei um organische Substanzen (wie beispielsweise Ammoniak).

Kirby hält die Experimente für sehr wichtig: sie zeigen, dass es eine natürliche Quelle für Veränderungen des Erdklimas gibt, und wir zudem das Phänomen Klima bisher nicht vollständig verstehen. „Wir wissen etwas über Treibhausgase. Wir wissen nur wenig über Aerosole. Es handelt sich im Teilchen, die die Industrie in die Atmosphäre schickt. Sie haben sicherlich einen Kühleffekt. Jedoch haben wir keine Ahnung wie groß dieser Effekt ist. Er könnte klein sein, aber auch sehr groß.“

Der Forscher hält es für möglich, dass um das Jahr 2015 ein Aktivitätsminimum der Sonne ähnlich dem Maunder-Minimum auftritt.

Andere Wissenschaftler halten dieses Szenario ebenfalls für möglich und prognostizieren für die Jahre 2016-17 sogar ein Abfallen der Temperatur, kalte Winter für die Jahre 2012-22 und eine weitere Abkühlung bis mindestens 2024.
Das wäre nichts Ungewöhnliches: wir befinden uns gegenwärtig in einer Zwischeneiszeit [1], die vor etwa 11.000 Jahren begann. Das Maximum der letzten Eiszeit war vor rund 20.000 Jahren. Damals lagen die globalen Temperaturen um etwa 5 °C niedriger als heute [6].

Wir müssen zugeben, dass wir gegenwärtig weder die Funktionsweise des Sonnendynamos und der Sonnenaktivität verstehen, noch wie das Klima der Erde genau entsteht und welche Faktoren auf das Klima einwirken.

Das gegenwärtige Sonnenmodell kann jedenfalls keine grundlegende Beobachtung der Sonne erklären, nicht einmal das Magnetfeld.
Dabei ist es im Hinblick auf das Weltraumwetter und das Klima auf der Erde wichtig, die Ursache und Funktionsweise der Sonnenaktivität zu kennen.

Falls Sie Fragen und Anregungen zu diesem Thema haben, schreiben Sie uns unter kontakt@ig-hutzi-spechtler.eu

Ihre
IG Hutzi Spechtler – Yasmin A. Walter

Quellenangaben:

[1] Information zu astronomischen und physikalischen Begriffen
www. wikipedia.de

[2] Kitchatinov, L. L., et al., ApJ 777, 71 (2013)

[3] http://solarscience.msfc.nasa.gov/predict.shtml

[4] cloud.web.cern.ch

[5] Almeida, J., et al., Nature 502, 359–363 (2013)

[6] http://geology.utah.gov

* National Solar Observatory (NSO) , U.S.A.

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