Sonnenaktivität

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Veränderung der Häufigkeit von Sonnenflecken seit 1610
Graph über verschiedene Parameter der Sonnenaktivität seit 1975
Graph der Sonneneinstrahlung bezogen auf das gesamte Wellenspektrum seit 1975
Sonneneruption am 20. August 2002

Als Sonnenaktivität werden zyklisch veränderliche Eigenschaften der Sonne bezeichnet, die mit den Turbulenzen ihres heißen Gases und laufenden Änderungen des Magnetfeldes zusammenhängen. Diese Aktivität zeigt sich am auffälligsten in wechselnder Häufigkeit der Sonnenflecken und ihrer Lage zum Äquator. Der Sonnenfleckenzyklus hat eine Periode von etwa 11 Jahren, kann aber über längere Zeiträume zwischen 9 und 13 Jahren liegen. Die mittlere Zahl der Sonnenflecken schwankt von 0 bis 5 im Sonnenfleckenminimum bis über 100 im Maximum. Das bisher höchste Maximum war 1957/59 mit monatlichen Sonnenflecken-Relativzahlen über 200. Im derzeitigen Maximum 2013/14 schwanken die Monatsmittel meist zwischen etwa 60 und 100.[1] Zu diesem Phänomen kommen noch unregelmäßige Gas- und Strahlungsausbrüche (Flares), Änderungen im Sonnenwind, vereinzelte geomagnetische Stürme und Protonenschauer, und die riesigen Gasfontänen der Protuberanzen.

Obwohl die Sonnenflecken eine um 1000–1500° niedrigere Temperatur als die übrige Sonnenoberfläche (5500 °C) haben, strahlt die Sonne während des Aktivitätsmaximums mit einer geringfügig höheren Leistung als im Sonnenfleckenminimum. Dazu tragen vor allem die Sonnenfackeln (heißere Gebiete mit etwa 7000°) bei. Die Sonnenaktivität ist verantwortlich für Ereignisse des Weltraumwetters und wirkt sich direkt auf Satelliten, aber auch auf technische Einrichtungen auf der Erde aus. Sie beeinflusst darüber hinaus das Erdmagnetfeld, die Ionosphäre und damit die Ausbreitung der Radiowellen und die Polarlichter.[2]

Ermittlung der Sonnenaktivität[Bearbeiten]

Die Sonnenaktivität wird durch verschiedene Indizes quantifiziert. Indizes können auf direkten Beobachtungen der Sonnenaktivität beruhen, wie zum Beispiel der Sonnenflecken-Relativzahl oder der Radiointensität, man spricht dann von direkten Indizes. Oder sie beruhen auf Effekten, die ihrerseits durch die Sonnenaktivität hervorgerufen werden. In diesem Fall spricht man von indirekten Indizes.[3] Direkte Indizes sind zwar vergleichsweise genau, reichen aber nur bis zum Beginn des 17. Jahrhunderts zurück. Indirekte Indizes lassen sich für die letzten ca. zehntausend Jahre, bis zum Beginn des Holozäns, mit abnehmender Genauigkeit angeben.

Sonnenfleckenrelativzahl[Bearbeiten]

Erste Beobachtungen von Sonnenflecken sind bereits aus dem 4. Jh. v. u. Z. durch Theophrastos von Eresos überliefert. Seit 1610 werden Sonnenflecken systematisch und mit Teleskop beobachtet und gezählt.[4] Sie gehören damit zu jenen astronomischen Phänomenen, die am längsten nach modernen wissenschaftlichen Methoden untersucht werden.

Ein gutes und einfach bestimmbares Maß für die Sonnenaktivität ist die Sonnenfleckenrelativzahl:

R = k \, (10\, g + f)

k ist ein Korrekturfaktor für die Größe des verwendeten Teleskops (der Bezugswert ist ein Achtzöller) und die aktuellen Sichtbedingungen, g ist die Anzahl der Fleckengruppen und f die Zahl der Einzelflecken.[5]

Um 1970 begannen einige Sonnenobservatorien, täglich auch die Gesamtfläche der Flecken zu messen. Diese aufwendige Alternativmethode zeigt aber zu fast denselben Aktivitätsverlauf wie die einfache Zählung mittels Relativzahl.

Radiointensität[Bearbeiten]

Ein weiteres Maß für die Sonnenaktivität ist die Radiointensität der Sonne bei der Wellenlänge von 10,7 cm. Diese Intensität korreliert mit der Relativzahl und wird mit radioastronomischen Methoden bestimmt.

Indirekte Ermittlung aus Radioisotopen[Bearbeiten]

Anhand von Zeitreihen der Radioisotope 14C und 10Be lässt sich die magnetische Aktivität der Sonne über mehrere tausend Jahre rekonstruieren.

Energiereiche kosmische Strahlung aus dem Weltall wird in der Heliosphäre durch den Sonnenwind und das solare Magnetfeld abgeschwächt und abgelenkt. Bei geringerer Sonnenaktivität kann mehr und energiereichere kosmische Strahlung das Erdmagnetfeld durchdringen und in die Erdatmosphäre gelangen. Dort führt sie zu Wechselwirkungen, bei denen in Kernreaktionen die Isotope 14C und 10Be erzeugt werden. Dieser Prozess ist die Hauptquelle für die Produktion der beiden Isotope.[6]

Die beiden so produzierten Radionukleide gelangen nach einem komplizierten Transportprozess in natürliche Klimaarchive: Das Kohlenstoff-Isotop 14C gelangt im Rahmen des Kohlenstoffkreislaufs in die Biosphäre – dort lässt es sich zum Beispiel mittels der Radiokohlenstoffmethode in Baumringen nachweisen – oder es wird im Meer abgelagert. Das Beryllium-Isotop 10Be lagert sich, sobald es sich in der Troposphäre befindet, innerhalb von ein bis zwei Wochen an Aerosole an oder wird durch Niederschläge auf die Erdoberfläche gebracht. Dort lässt es sich zum Beispiel in Eisbohrkernen der polaren Eisschilde nachweisen.[7]

Aus den in Klimaarchiven gemessenen Isotop-Konzentrationen lässt sich auf die solare Aktivität zurückschließen. Dabei sind Transportprozesse, klimatischer Einflüsse auf den Transport, die Stärke des Erdmagnetfelds, andere Quellen der Isotope und über sehr lange Zeiträume auch Änderungen der galaktischen kosmischen Strahlung zu berücksichtigen. Die Genauigkeit der Rekonstruktion liegt in der Größenordnung eines Jahrzehnts. Auf diese Weise aus 14C rekonstruierte Zeitreihen der Sonnenaktivität für das letzte Jahrtausend stimmen sehr gut mit Sonnenfleckenindizes überein, für 10Be etwas weniger gut.[8]

Zyklen[Bearbeiten]

Der auffälligste Zyklus ist der etwa 11-jährige Schwabe-Zyklus nach Samuel Heinrich Schwabe. Aufeinanderfolgende Maxima der Sonnenfleckenrelativzahl folgen in diesem zeitlichen Abstand aufeinander.

Seit mit dem Zeeman-Effekt das solare Magnetfeld als Ursache der Sonnenflecken festgestellt wurde, lässt sich auch deren magnetische Polarität bestimmen. Auf einer Sonnenhemisphäre wechselt die magnetische Polarität der Flecken vom einen zum nächsten Zyklus. Dem 11-jährigen Zyklus liegt also ein doppelt so langer Zyklus zugrunde, der 22-jährige Hale-Zyklus.

Es gibt vermutlich noch weitere Zyklen, z. B. der 80- bis 90-jährige Gleißberg-Zyklus, entdeckt von Wolfgang Gleißberg. Möglicherweise gibt es einen Zusammenhang mit dem jahrelang fleckenlosen Minimum um das Jahr 2008.

In Hinblick auf Probleme für Weltraum-Missionen bei hoher Aktivität hat die Prognose der Sonnenaktivität erhöhte Bedeutung erhalten. Wolfgang Gleißberg hat eine Prognose-Methode entwickelt, die auf dem Vergleich mehrerer, aufeinander folgender Zyklen beruht.[9]

Strahlungsspektrum und Ursprung[Bearbeiten]

Seit einigen Jahrzehnten stellt die Sonnenforschung fest, dass Sonnenaktivität in anderen Bereichen des Spektrums noch stärker spürbar ist, beispielsweise wird der solare Radioflux als Aktivitätsindikator herangezogen. Auch die Nord- oder Polarlichter hängen damit zusammen.

Die Strahlungsenergie der Sonne stammt aus Kernfusion von Wasserstoff zu Helium im Kern der Sonne und gelangt durch Teilchen (Neutrinos), Strahlungstransport und Konvektion nach außen. Durch Wechselwirkungen entsteht ein breites Strahlungsspektrum von Gammastrahlung über UV bis in den Radiowellenbereich. Dabei gibt es groß- und kleinräumige Temperaturunterschiede, Gasausbrüche und vereinzelte Strahlungsstürme im Röntgen-, UV- und Radiowellenbereich.

Heiße Gaswolken, Flares und Polarlichter[Bearbeiten]

Starke Magnetfelder bei großen Sonnenflecken (Typ E, Typ F) können Wolken heißen Gases aus den Außenschichten der Sonne ins All schleudern. Diese Gaswolken sind elektrisch geladen und stören daher das Erdmagnetfeld, wenn sie nach einigen Tagen bei der Erde ankommen.

Flares sind plötzliche Strahlungsausbrüche in den äußeren Schichten, die einige Minuten bis Stunden dauern. Dabei wird verstärkte Gammastrahlung, UV- und Radiostrahlung beobachtet. Auch energiereiche atomare Partikel (Elektronen, Protonen, Heliumkerne) können emittiert werden.

Ein geomagnetischer Sturm bleibt meist unbemerkt. Schwere Stürme können aber Satelliten, elektrische Anlagen oder Funkverbindungen stören, was in den vergangenen Jahren mehrmals vorkam. Während die erhöhte Strahlenbelastung während eines magnetischen Sturms auf der Erdoberfläche ungefährlich ist, kann sie jedoch in der Raumfahrt und auf manchen Langstreckenflügen gefährlich sein.

Nach Angaben des Geoforschungszentrums Potsdam legte der bislang größte geomagnetische Sturm der Geschichte am 1./2. September 1859 die gerade eingeführten Telegrafenleitungen lahm und erzeugte Polarlichter, die noch in Rom und Havanna sichtbar waren. Auch im Herbst 2003 waren Polarlichter bis in den Süden Deutschlands und in Österreich zu beobachten.

Jedes Sonnenobservatorium dient neben der Beobachtung von Sonnenflecken auch zur Messung von Flares und Strukturen der Sonnenkorona. Es gibt neuerdings spezielle Satelliten, welche verstärkte Gaswolken von Flares schon lange vor dem Eintreffen auf der Erde registrieren. Auch von Stereo-Satelliten der Nasa erhofft man sich neue Informationen über die Physik der Sonne und ihrer Anomalien.[10]

Von Andrew Ellicott Douglass wurde vermutet, dass das Wachstum der Bäume von der Sonnenaktivität abhängen könnte.

Langfristige Veränderungen[Bearbeiten]

Seit Mitte des 20. Jahrhunderts befindet sich die Sonne in einer ungewöhnlich aktiven Phase, wie Forscher der Max-Planck-Gesellschaft meinen. Die Sonnenaktivität ist demnach etwa doppelt so hoch wie der langfristige Mittelwert, und höher als jemals in den vergangenen 1000 Jahren. Ein internationales Forscherteam hat die Sonnenaktivität der vergangenen Jahrtausende untersucht. Seit dem Ende des letzten Glazials war die Sonne demnach selten so aktiv wie seit den 1940er-Jahren bis heute. Wie Wissenschaftler aus Deutschland, Finnland und der Schweiz in der Zeitschrift Nature (28. Oktober 2004) berichten, muss man über 8000 Jahre in der Erdgeschichte zurückgehen, bis man einen Zeitraum findet, in dem die Sonne im Mittel ebenso aktiv war wie in den vergangenen 60 Jahren. Forscher um Sami Solanki vom Max-Planck-Institut (MPI) für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau haben die Sonnenaktivität anhand von schweren Kohlenstoff-Atomen (14C) zurückverfolgt. Aus dem Studium früherer Perioden mit hoher Sonnenaktivität sagen die Forscher voraus, dass die gegenwärtig hohe Aktivität der Sonne wahrscheinlich nur noch wenige Jahrzehnte andauern wird.[11][12]

Derzeitige Aktivität[Bearbeiten]

Nach dem ungewöhnlich langen Minimum von 2008/09, wo die Sonne monatelang fleckenlos war, wurde das Maximum des laufenden 24. Sonnenzyklus zunächst für Ende 2012 prognostiziert. Die Zunahme der Aktivität erfolgte 2011 und Anfang 2012 wie erwartet und erreichte im Februar ein flaches Maximum, doch fiel die Sonnenflecken-Relativzahl im Sommer 2012 wieder ab und blieb bis zum Jahresende untypisch niedrig. Die Maximums-Prognose wurde daher auf Ende 2013 revidiert.[13]

Ungewöhnlich ist im laufenden Zyklus auch die ungleiche Verteilung der Aktivitätszentren und der großen Fleckengruppen vom Typ E und F. Während 2012 die Nordhalbkugel der Sonne etwas aktiver war, lagen 2013 fast alle großen Gruppen auf der Südhemisphäre. Korreliert mit der Sonnenrotation traten die höchsten Relativzahlen (ca. 130 bis 160) seit Mai 2013 um die Monatsmitte auf und manche Fleckengruppen waren sogar freiäugig sichtbar; die niedrigsten Werte liegen um 20.

Noch ungleicher verteilt sind die Aktivitätszentren seit dem Frühjahr 2014, wo sie durch die Sonnenrotation jeweils im ersten Monatsdrittel sichtbar werden. Der bisherige Höchstwert trat am 5. Juli 2014 mit etwa 160 Flecken und einer Relativzahl um 250 auf, während sie 2 Wochen vorher nur bei 50 lag.

Weiterhin dürften jeden Monat einige geomagnetische Stürme auftreten, die nach etwa 2 Tagen in der Ionosphäre der Erde starke Polarlichter auslösen.[14]

Literatur[Bearbeiten]

  • Helmut Zimmermann, Alfred Weigert: ABC-Lexikon-Astronomie. Spektrum Akad. Verlag, Heidelberg 1995. ISBN 3-8274-0575-0
  • J.Bennett, M.Donahue, N.Schneider, M.Voith: Astronomie (Kapitel 14), Hrsg. Harald Lesch, 5. Auflage (1170 S.), Pearson-Studienverlag, München-Boston-Harlow-Sydney-Madrid 2010
  • Rudolf Kippenhahn: Der Stern, von dem wir leben. DVA, Stuttgart 1990
  • Gordon D. Holman: Explosive Sonne. Spektrum der Wissenschaft, Juni 2006, p. 41-47
  •  Ilya G. Usoskin: A History of Solar Activity over Millennia. In: Living Reviews in Solar Physics. März 2013, doi:10.12942/lrsp-2013-1 (HTML, en.).

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. An einzelnen Tagen gibt es allerdings bis zu 120 Flecken und bei einer größeren Zahl von Fleckengruppen sogar Relativzahlen von über 200 – z.B. Beobachtungen Geof am 13. und 15.5.2013. Im Jahr 2014 schwankten die Tageswerte zwischen etwa 25 (26.April) und 240 (5.Juli).
  2. Arnold Hanslmeier: Einführung in Astronomie und Astrophysik. Spektrum Verlag, 2. Auflage 2007. S. 237, ISBN 978-3-8274-1846-3
  3.  Usoskin: A History of Solar Activity over Millennia. 2013, 2.2.
  4.  Usoskin: A History of Solar Activity over Millennia. 2013, 2.2.1,2.3.2.
  5. Arnold Hanslmeier: Einführung in Astronomie und Astrophysik. Spektrum Verlag, 2. Auflage 2007. S. 220, ISBN 978-3-8274-1846-3
  6. In den letzten Dekaden kam ein signifikanter menschlicher Einfluss hinzu, zum Beispiel aus Druckwasserreaktoren oder Atomwaffentests, siehe Kernwaffen-Effekt  Usoskin: A History of Solar Activity over Millennia. 2013, 3.2.4. und  Qin-Hong Hu, Jian-Qing Weng, Jin-Sheng Wang: Sources of anthropogenic radionuclides in the environment: a review. In: Journal of Environmental Radioactivity. 2010, S. 430, doi:10.1016/j.jenvrad.2008.08.004.
  7.  Usoskin: A History of Solar Activity over Millennia. 2013, 3.1 - 3.3.
  8.  Usoskin: A History of Solar Activity over Millennia. 2013, 3.6 - 3.7.
  9. Wolfgang Gleißberg: Die Häufigkeit der Sonnenflecken. Akademie-Verlag, Berlin 1953
  10. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatNasa fotografiert Sonne erstmals in 3D. 24. April 2007, abgerufen am 24. September 2011.
  11. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatHyperaktive Sonne. In: pro-physik.de. 28. Oktober 2004, abgerufen am 24. September 2011.
  12. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatVorlage:Internetquelle/Wartung/Datum nicht im ISO-FormatSonnenaktivität bis zur Eiszeit zurückverfolgt. In: Netzeitung. 28. Oktober 2004, abgerufen am 31. August 2009.
  13. Michael Delfs: Die Aktivität der Sonne – Rückblick auf das Jahr 2012. Sterne und Weltraum, Heft 7/2013, p.78-83.
  14. http://news.astronomie.info/sky201307/sunactivity.html Astro-Info: Rückblick auf die Sonnenaktivität von Juni 2013