Die Sonne: Flecken, Protuberanzen und mehr - Carolin Liefke Seminar "Die Milchstraße"

Die Sonne:
 Flecken, Protuberanzen und mehr

Carolin Liefke

Seminar „Die Milchstraße“
WS 2011/12

                            NASA/SDO and the AIA science team

Die Sonne
• Was passiert auf der Sonne?
   – Von Sonnenflecken zu Protuberanzen und Flares
   – Aktivitätsphänomene auf der Sonne in verschiedenen
     Wellenlängen beobachtet
• Was verursacht die Sonnenaktivität?
   – Aufbau und Eigenschaften der Sonne
   – Energieerzeugung, Transport und Abstrahlung
   – Magnetfelder
• Wie verhält sich die Sonne auf längeren Zeitskalen?
   – Aktivitätszyklen
   – Weltraumwetter
   – Einfluß der Sonne auf das Erdklima?

Die Sonne im Teleskop
                                                •   Sonnenbeobachtung mit
                                                    Amateurteleskop
                                                     – Objektivsonnenfilter
                                                     – Projektion
                                                •   Was ist zu sehen?
                                                     –   Dunkle Sonnenflecken
                                                     –   Helle Fackelgebiete
                                                     –   Randverdunklung
                                                     –   Granulation
                                                •   Die Photosphäre als
                                                    sichtbare „Oberfläche“ der
                                                    Sonne
Weißlichtsonne aufgenommen mit 10cm-Refraktor        – Temperatur 5500°C

Sonnenflecken
•   Umbra und Penumbra: „Kern-“        Sonnenfleck im Weißlicht
    und „Halbschatten“,
    Temperaturabsenkung bis
    4000°C
•   Fleckengruppen
    – Zusammengesetzt aus bis zu
      mehreren Dutzend Einzelflecken
    – Bipolare Struktur
    – Lichtbrücken
•   Veränderungen innerhalb
    weniger Minuten, Lebensdauer
    bis mehrere Monate                                            TRACE

Sonnenflecken und Granulation
          im Detail

                  SST, Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften

Fraunhoferlinien

Echelle-Spektrum der Sonne: Zuordnung jeder Spektrallinie zu einem Element,
weitere Informationen lassen sich aus Linienform und -breite gewinnen
                                                    Nigel Sharp (NSF), FTS, NSO, KPNO, AURA, NSF

Die Sonne im Hα- Licht
•   Auf- und absteigende
    Gaswolken werden als helle
    Protuberanzen (am Rand) und
    dunkle Filamente (auf der
    Oberfläche) sichtbar
•   Temperaturanstieg um
    mehrere 10000 K nach außen
•   Chromosphärisches Netzwerk
•   Entdeckung der
    Chromosphäre (chromos:
    griechisch “Farbe“) als
    “Atmosphärenschicht” bei
    totalen Sonnenfinsternissen     Greg Piepol

Protuberanzen
                Zeitraffer einer eruptiven Protuberanz am 18. April 2011

                                                              Christian Frieber

• Ruhende Protuberanzen: stabil bis zu mehreren Monaten, langsame
  Bewegungen, bis zu 100.000 km lang
• Eruptive Protuberanzen: Entwicklung auf Zeitskalen von wenigen
  Minuten, Materiefließgeschwindigkeiten bis zu 1000 km/s, manchmal
  Entstehung aus ruhenden Protuberanzen

Weltraumobservatorien
•   Ungestörte Beobachtung
    in Spektralbereichen, die
    von Erdboden aus nicht
    zugänglich sind: UV- und
    Röntgenstrahlung
•   Satelliten zur
    Sonnenbeobachtung:
    SOHO, TRACE, SDO,
    STEREO, …

Riesenprotuberanz vom 14. September 1999
aufgenommen von SOHO im Licht von He II
bei 304 Å (extremes UV)                    SOHO / ESA und NASA

Die Sonne im Röntgenlicht
• Die Korona als oberste Atmosphärenschicht der Sonne →
  Übergang zum Sonnenwind
• Plasma mit Temperaturen bis 2 Mio. Grad
• Aktive Regionen und koronale Löcher
           SDO AIA 171 Å (Fe IX)             SDO AIA 211 Å (Fe XIV)

       NASA/SDO and the AIA science team   NASA/SDO and the AIA science team

Die Korona im sichtbaren Licht

       Totale Sonnenfinsternis am 29. März 2006

                                                  Uwe Freitag

Der Sonnenwind
SOHO LASCO C3 Koronografenbild
                                 •   Kontinuierlicher Strom
                                     geladener Teilchen in den
                                     interplanetaren Raum
                                     – Langsamer Sonnenwind
                                       400 km/s
                                     – Schneller Sonnenwind
                                       aus koronalen Löchern bis
                                       900 km/s
                                 •   Wechselwirkung mit den
                                     Magnetosphären der
                                     Planeten
                                 •   Streamer
                                 •   Koronale Massenauswürfe

Koronale Bögen
• Bögen über Flecken/aktiven                                TRACE
  Regionen
• Arkaden: Anordnungen von
  Bögen
• Veränderungen innerhalb von
  Minuten
    – Neue Bogenverbindungen
    – Wachstum von Arkaden

                                •   Magnetische Flußröhren:
                                    Geladene Plasmateilchen folgen
                                    Magnetfeldern
                 Wikipedia
                                •   Streamer: offene Magnetfeldlinien

Flares
•   „Magnetische Rekonnektion“ in     SOHO EIT 195 Å (Fe XII)
    der Korona: Magnetfeldlinien
    ordnen sich neu an
•   Beschleunigte Teilchen treffen
    auf die unteren Atmosphären-
    schichten und heizen sie auf
•   Abkühlung des Plasmas durch
    Aussendung von Strahlung
•   „Chromosphärische
    Evaporation“ trägt Material aus
    tieferen Schichten in die
    Korona, das Röntgenstrahlung
    aussendet
                                                                SOHO / ESA und NASA

Flares
•   „Magnetische Rekonnektion“ in     Hinode XRT
    der Korona: Magnetfeldlinien
    ordnen sich neu an
•   Beschleunigte Teilchen treffen
    auf die unteren Atmosphären-
    schichten und heizen sie auf
•   Abkühlung des Plasmas durch
    Aussendung von Strahlung
•   „Chromosphärische
    Evaporation“ trägt Material aus
    tieferen Schichten in die
    Korona, das Röntgenstrahlung
    aussendet

Flares
•   Die stärksten Flares sind nicht nur im UV- und Röntgenlicht und in
    Hα sondern auch im Weißlicht sichtbar
•   Auswirkungen der Explosion nicht länger beschränkt auf Korona und
    Chromosphäre

                                                     Hinode SOT

Der Aufbau der Sonne

                       LPI

Energieerzeugung
•   Die Sonne als Fusionskraftwerk
    –   Pro Sekunde fusionieren 564
        Mio. Tonnen Wasserstoff zu
        560 Mio. Tonnen Helium
    –   E = m · c²
    –   Kerntemperatur 14 Mio. K,
        Druck 200 Mrd. Bar
    –   “Tunneleffekt”
    –   Messung des Neutrino-Flusses
        bestätigt Modell des
        Sonneninneren

• Abstrahlung der erzeugten Energie: Im Kern erzeugtes Photon benötigt
  10 Mio. Jahre bis an die Oberfläche, Abschwächung seiner Energie
• Nukleosynthese in Sternen!

Helioseismologie
•   Erforschung der Struktur des
    Sonneninneren über
    Oszillationen
•   Differentielle Rotation
    – An der Oberfläche zwischen
      25 Tagen am Äquator und 36
      Tagen an den Polen
    – In Kern und Strahlungszone
      konstant 27 Tage
•   Konvektionsbewegungen auf-
    und abwärts
                                                                  SOHO (NASA/ESA)

                                   Differentielle Rotation und meridionale
                                   Strömungen im Sonneninneren

Das Magnetfeld der Sonne

• Konvektion und Rotation: Bewegung des Plasmas ⇒ Ströme
  ⇒ Magnetfelder
• αΩ-Dynamo: Kreislauf der Magnetfeldkonfigurationen

Magnetogramme
• Zeitliche Entwicklung des Magnetfelds an der Oberfläche?
• Kleinskalige Strukturen, Änderung der Polarität

             Langzeitmessung des Magnetfelds der Sonne

Der Fleckenzyklus
• Kopplung an das sich ca. alle 11 Jahre umpolende Magnetfeld
→ Der eigentliche Zyklus dauert 22 Jahre

    Schmetterlingsdiagramm (oben) und Anteil der Flecken an der Sonnenoberfläche (unten)

… als Aktivitätszyklus
Magnetogramme zeigen die →
Veränderungen des solaren
Magnetfeldes während des
Zyklus an

                             ← Im Röntgenlicht kann die
                               Intensität der Strahlung im
                               Verlauf des Zyklus um bis zu
                               einen Faktor 100 variieren

Die Solarkonstante
•   Messung der Sonneneinstrahlung auf der Erde aufgrund der
    auftretenden Flecken und Fackeln nicht konstant

•   Abstrahlung stärker bei hoher Fleckenzahl ⇒ Fackelgebiete
    dominieren

Auswirkungen auf die Erde
•   Geladene Teilchen aus dem
    Sonnenwind wechselwirken mit dem
    Magnetfeld der Erde
•   Flares und damit verbundene koronale
    Massenauswürfe können verursachen
     – Störungen von Funkverkehr und
       Telekommunikation
     – Stromausfälle
     – Polarlichter
•   Kontroverse: Verringert Sonnenaktivität
    die globale Wolkenbedeckung?
•   Aber: Keine direkt an den
    Fleckenzyklus gekoppelten
    Klimaphänomene bekannt
                                         Polarlicht über Norddeutschland am 6. April 2000

Langfristige Aktivitätsminima
                             • systematische Beobachtung
                               von Sonnenflecken ca. seit
                               1600
                             • Maunder-Minimum: Zwischen
                               1645 und 1715 wurden
                               insgesamt kaum Flecken
                               gesehen
                             ⇒ Langfristiges
                               Aktivitätsminimum der Sonne
                             • Ähnliche (schwächere)
                               Minima: Spörer-Minimum (ca.
Sonnenfleckenzeichnung von
Galileo Galilei                1500), Wolf-Minimum (ca.
                               1300), Oort-Minimum

Die „Kleine Eiszeit“
• Periode kühlen Klimas vom Anfang des 15. Jahrhunderts bis in das
  19. Jahrhundert hinein
• besonders kalte Zeitabschnitte: 1570-1630, 1675-1715

• Mögliche Ursachen
   – Maunder-Minimum
   – gesteigerter Vulkanismus
• Folgen
   – Bevölkerungsrückgang
     durch Hungersnöte
• Gegensatz zur
  mittelalterlichen Warmzeit
  (Besiedlung Grönlands)
                                   Abraham Hondius: The frozen Thames, 1677

Sonnenaktivität und globale
             Erwärmung

     Vergleich von Langzeitvariationen der Solarkonstante und globaler Temperatur

• Die Erwärmung der Erde über die letzten Jahrzehnte hinweg
  ist von Menschen gemacht!

Die junge Sonne
• Kurz nach ihrer Entstehung war die Sonne viel aktiver ⇒
  Einfluß auf die Entstehung des Lebens auf der Erde?