Die Sonne – immer in Aktion

Am 15. September 2020 veröffentlicht von Jekaterina Stael von Holstein

Die Sonne ist eine riesige brodelnde Gaskugel, welche uns heute, aber auch die Menschen früher fasziniert hat. Sie gehört zu den wichtigsten Faktoren der Entwicklung des menschlichen Lebens und der Kulturgeschichte, weshalb sie schon sehr früh beobachtet wurde. So wurden Bauwerke errichtet, wie z.B. Stonehenge, um Sonnenbeobachtungen zu tätigen und den Zeitpunkt der Sommersonnenwende zu bestimmen.

Auch ich war fasziniert von den Geheimnissen der Sonne. An der Schule bekam ich die Möglichkeit, mich mehr mit dem zentralen Stern unseres Sonnensystems zu beschäftigen. In einem internationalen Forschungsprojekt namens SIMONE (Sun and Ionosphere MOnitoring NEtwork) wurden Schulen, Universitäten und Forschungseinrichtungen weltweit motiviert die Sonnenaktivität zu beobachten und ihre Ergebnisse zu Forschungszwecken zu dokumentieren. Was an der Sonne beobachtet werden kann und wieso dies sehr wichtig ist, erfahrt ihr in diesem Beitrag.

INFOBOX

Die Sonne ist ein Stern und bildet das Zentrum des Sonnensystems. Der Erde ist dieser Stern am nächsten. Ihr Durchmesser beträgt 1,4 Millionen Kilometer, die Erde würde etwa 110-mal hineinpassen.

Für die Entwicklung des Lebens auf der Erde ist die Sonnenstrahlung eine der Grundvoraussetzungen. Die Energie für die Sonnenstrahlung bezieht die Sonne aus der ständigen inneren Kernfusion, bei der aus Wasserstoff Helium entsteht.

Das astronomische Symbol der Sonne ist ☉.

Die Sonne und ihr Zyklus

Die Sonne ist eine riesige Energiequelle, welche neben Wärme auch Strahlung produziert. Der Ursprung der so genannten Sonnenaktivität sind aber die drei obersten Sonnenschichten: die Photosphäre, die Chromosphäre und die Sonnenkorona.

Schematischer Schnitt durch die Sonne mit den drei obersten Schichten, der Photosphäre, der Chromosphäre und der Sonnenkorona. [Bildquelle: GLASMEIER K.-H. & SCHOLER (1991): Plasmaphysik im Sonnensystem. Mannheim: B.I. Wissenschaftsverlag.]

 

Die Photosphäre ist mit 500 km eine dünne Schicht und ist die sichtbare Sonnenoberfläche. Auf dieser bilden sich die dunklen Sonnenflecken. Diese sind kühler und strahlen daher weniger sichtbares Licht ab als der Rest der Oberfläche. Ihre Zahl und Größe sind bildhaft für die sogenannte Sonnenaktivität. Außerdem sind sie der Ursprung der hellen Lichtblitze, die den Namen „Flares“ tragen.

Danach folgt die Chromosphäre, die 2000 km dick ist und einen Temperaturunterschied von 5000°C zu der zuvor genannten Schicht aufweist. Dort wird viel Strahlung produziert und ausgesendet (Emission). Genau diese Schicht kann man für kurze Zeit während einer Sonnenfinsternis als rötlichen Saum um die Sonne sehen. Ansonsten wird sie von der Photosphäre überstrahlt und ist für das menschliche Auge ohne Hilfsmittel nicht sichtbar.

Darauf folgt die Sonnenkorona, welche als Quelle des Sonnenwindes und der Auswürfe von Teilchen (koronale Massenauswürfe) dient. Man kann auch sie nicht sehen, da dort kein sichtbares Licht ausgestrahlt wird. Lediglich während einer totalen Sonnenfinsternis, wie 1999 in unseren Breiten, wurde sie für das menschliche Auge auf der Erde sichtbar.

Sonnenflecken auf der Chromosphäre sind verantwortlich für einen großen Teil der Sonnenaktivität. [Bildquelle: http://www.dlr.de/ (31.08.2020)]

Sonnenfleck mit Umbra (dunkel und kühler) und Penumbra (heller und 1500°C heiß). [Bildquelle: NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION. NASA-Plakat, Rückseite: EW-1998-03-003-GSFC. NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION. NASA-Plakat, Rückseite: NP-1999-12-199-GSFC.]

 

Bei den Sonnenflecken, die auf der Photosphäre sichtbar sind, handelt es sich um Regionen der Sonne, die starke Magnetfelder aufweisen und als Ursprung von vielen Sonnenaktivitätsphänomenen gelten. Zu diesen Phänomenen gehören die rasche Aussendung von Masse in Form von koronalem Massenauswurf (oder „Coronal Mass Ejection-CME“) und die Aussendung von Energie (also Strahlung, z.B. die bereits erwähnten „Flares“).

INFOBOX

Der koronale Massenauswurf oder Coronal Mass Ejection – CME, ist eine Sonneneruption, manchmal auch Sonnensturm genannt. Hierbei wird Masse in Form von hochgeladenen Teilchen, dem sogenannten Plasma, ausgestoßen. Sonnenflecken sind die Austrittsquellen. Flares sind Lichtblitze, die nur acht Minuten benötigen, um ihre hochenergetische Strahlung bis zur Erde zu senden, deren Ursprung auch die Sonnenflecken sind. Beide Phänomene können zusammen, aber auch getrennt voneinander, auftreten.

Die Anzahl und Positionen der Sonnenflecken variieren in einem elfjährigen Zyklus. Innerhalb dieser elf Jahre gibt es eine Zeitspanne mit einer sehr kleinen Anzahl an Sonnenflecken (Minimum, keine oder wenige Sonnenflecken) und eine Zeitspanne mit einer hohen Anzahl an Sonnenflecken (etwa 100 Sonnenflecken), welche auf der Sonnenoberfläche sichtbar sind. Dies beeinflusst die Wahrscheinlichkeit der Sonnenaktivität, also wie oft ein Ereignis zur Stande kommt. Das heißt jedoch nicht, dass während eines Minimums keine starke Sonneneruption vorkommen kann.

Elfjähriger Zyklus der Sonne gekennzeichnet durch die Anzahl der Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche seit den 50er Jahren. [Bildquelle: http://solarscience.msfc.nasa.gov/SunspotCycle.shtml (31.08.2020). National Aeronautics and Space Administration: “The Sunspot Cycle”.]

Die Sonne und die Auswirkungen auf die Erde

Nun haben wir die Themen „Flare“ und „CME“ angeschnitten. Schön und gut, dass es diese gibt, aber wieso beschäftigt sich die Forschung so mit dieser Thematik?

Blitz eines „Flares“ auf der Sonne. [Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft (Juni 2006) S.42 HOLMAN G. D. (2006): Explosionen auf der Sonne. In: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2006, S. 40-47 (Zeitschrift).]

 

Die Sonnenaktivität beeinflusst unser Leben auf der Erde sehr; in vielen Hinsichten leider negativ, in einigen Hinsichten kann dieser Einfluss jedoch wundervoll sein. Der Sonnenwind, welcher ständig von der Sonne ausgestrahlt wird, führt z.B. auch zu dem wunderbaren Phänomen des Polarlichtes und verschönert den Anblick des Himmels an den Polen und in Polarnähe.

Polarlicht 28./29. Oktober 2003 in Alaska, Polarlichter sind durch den Sonnenwind verursacht. [Bildquelle: Polarlicht 28./29. Oktober 2003 in Alaska, Spektrum der Wissenschaft Juni 2006, S.43 HOLMAN G. D. (2006): Explosionen auf der Sonne. In: Spektrum der Wissenschaft, Juni 2006, S. 40-47 (Zeitschrift).]

 

Allerdings sind Astronauten im Weltraum gefährdet, da sie mit hochenergetischen geladenen Teilchen durch die „CMEs“ sowie durch die hohe Strahlendosis der „Flares“ bestrahlt werden können, was zu schwerwiegenden gesundheitlichen Folgen führen kann.

Die Elektronik und die Solarzellen von Satelliten können durch diese Teilchen beschädigt werden. Am 7. November 1997 wurde z.B. der SOHO-Satellit (Solar and Heliospheric Observatory) von einem Teilchenregen erfasst. Die Bilder zeigen eine Art „Schneegestöber“, weißes Aufflackern von Punkten, auf den Bildern. Diese Störung hat erst nach Stunden aufgehört. Wird ein Satellit gestört, kann auch der Funk- und Flugverkehr auf der Erde ausfallen.

Es kann auch vorkommen, dass die Temperatur in der Atmosphäre durch diese Strahlung ansteigt, wodurch sich die Atmosphäre ausdehnt. Die nah an der Erde befindlichen Satelliten können durch die Luftmoleküle der Thermosphäre, einer weiteren Schicht der Atmosphäre, gebremst werden. Dadurch können die Satelliten ihre Orientierung verlieren oder sogar abstürzen. Im Jahr 1989 gab es eine Reihe von „CMEs“ und „Flares“, auf Grund derer der Satellit „SMM“ (Solar-Maximum-Mission) im März von der Atmosphäre gebremst und so unkontrollierbar wurde. Im Dezember verglühte dieser schließlich, er war nur fünf Jahre im Einsatz.

Einfluss der Sonne auf das irdische Magnetfeld, hier ein „CME“ und „Flare“ neben dem Sonnenwind zu sehen. [Bildquelle: www.polarlichter.com/entstehung-pl.htm (31.08.2020)]

 

Die Erde ist zwar durch das Magnetfeld geschützt, doch je weiter man sich in Richtung der Pole bewegt, desto höher ist die Strahlendosis, der man ausgesetzt ist. Aus diesem Grund empfangen auch beispielsweise Flugpiloten Weltraumwetterdaten, da sie so rechtzeitig auf andere Routen umgeleitet werden können, um den Sonnenstürmen zu entkommen. Außerdem sind Flugpiloten und Flugpassagiere in großer Höhe von der Strahlung bedroht. Es wird angenommen, dass Flugpiloten, die bereits über 20 Jahre im Dienst sind, mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 1% mehr gefährdet sind, an Krebs zu erkranken. Die Gefahr ist dabei höher als beim passiven Rauchen.

Auch Tiere können direkt von der Sonnenaktivität betroffen sein. Da die Orientierung z.B. bei Brieftauben und Zugvögeln auf das Magnetfeld angewiesen ist, können sie ihre Ziele verfehlen.

„CMEs“ bewirken intensive und schnelle Schwankungen des irdischen Magnetfeldes, die sogenannten geomagnetischen Stürme. Diese kurzzeitigen Magnetfeldschwankungen können in Hochspannungs- und Ölleitungen große Ströme induzieren, die zu Unterbrechungen von Relais, Überlastungen und Verschmoren von Trafos führen können und so Stromversorgungsnetze außer Kraft setzen. Dieses Ereignis wurde im Jahr 1989 in Quebec (Kanada) beobachtet: Sechs Millionen Menschen waren neun Stunden ohne Strom, und dies bei -15°C. Der nachfolgende Schaden betrug ca. 500 Millionen Dollar.

Auch Korrosionsschäden an Übergangsstellen zwischen Erde und Metall können eine Folge davon sein. Dadurch kommen ungeschützte Ölrohrleitungen und Gasleitungen zu Schaden, wie z.B. 1970 beim Bau einer Pipeline in Alaska.

Halbleiterbauelemente können ebenfalls durch die hochenergetischen Teilchen zerstört werden, dazu gehört die Elektronik von Satelliten, Flugzeugen und Computern. So meldete 1989 der Computerhersteller IBM bei der Produktion von Mikrochips eine höhere Fehlerrate – etwa 30% höher als üblich.

Der Funkverkehr kann durch die Veränderung der Ionosphäre, ebenfalls ein Teil der Atmosphäre, und die daraus resultierenden Folgen für die Wellenausbreitung gestört werden. Auf solche Weise werden auch Störungen in den GPS-Systemen verursacht.

Das Weltraumwetter muss beobachtet werden

Die Sonnenaktivität und deren Einfluss auf die Erde wird auch als Weltraumwetter bezeichnet. Weil das Weltraumwetter einen so großen Einfluss auf das Leben auf der Erde hat, muss jenes auch näher beobachtet werden, um vorzeitige Aussagen zu Sonneneruptionen treffen zu können. Je früher eine Vorhersage getroffen werden kann, desto eher kann der Schaden abgewendet oder zumindest minimiert werden. So gibt es mehrere Missionen wie den Satelliten SOHO der europäischen Weltraumorganisation ESA, welcher Bilder und Daten von der Sonne zur Erde schickt. So konnten bereits zwei gante Sonnenzyklen, also über 22 Jahre, beobachtet und mit Hilfe dieser Daten erste Aussagen getroffen werden. Auch von der Erde aus gibt es mehrere Möglichkeiten die Sonnenaktivität zu beobachten. Eine davon ist die Beobachtung der Ionosphäre, welche sich aufgrund von Sonnenaktivität verändert und damit sogar proportionale Aufschlüsse zur Stärke und Länge der „Flares“ gibt.

Die Weltraumwetterforschung bietet noch Einiges zu entdecken und gerade die NASA und ESA beschäftigen sich mit diesen Phänomenen am meisten. Wer weiß, vielleicht bist du der nächste Physiker oder Astronaut, welcher dort eine große und bahnbrechende Entdeckung macht?

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