Die Sonne ist die Grundlage für das Leben auf der Erde und auch der Antrieb für den Prozess "Wetter". Ohne technische Hilfsmittel erscheint sie für uns Menschen relativ statisch, doch ist sie alles andere als das! Ihre Aktivität schwankt auf verschiedenen Zeitskalen, diese reichen von Minuten bis hin zu Jahrhunderten. Der bekannteste Rhythmus ist der 11-jährige Sonnenfleckenzyklus.
Periodische Veränderungen
Sonnenflecken sind dunklere Stellen auf der Sonnenoberfläche, Photosphäre genannt. Sie lassen sich mit vergleichsweise wenig Aufwand auch von Laien beobachten (via Projektion auf eine helle Fläche). Um Augenschäden zu vermeiden, ist dabei aber eine gewisse Vorsicht angebracht! In manchen Jahren gibt es oft monatelang keine Flecken, die Sonnenscheibe erscheint makellos. Dann aber gibt es Jahre, in denen sich die Sonnenflecken deutlich häufen. Dieser Wechsel erfolgt regelmässig und unterliegt einem ca. 11-jährigen Zyklus (zwischen 10 und 12 Jahren). Dieser wird auch als Schwabe-Zyklus bezeichnet (nach seinem Entdecker Samuel Heinrich Schwabe 1789-1875). Eine solche 11-jährige Periode umfasst ein Minimum und ein Maximum an Sonnenflecken, gleichbedeutend mit einem Minimum und Maximum der Aktivität der Sonne. Rudolf Wolf, ein Schweizer Astronom, führte eine laufende Nummerierung dieser Zyklen ein, die Reihe beginnt im Jahr 1749. Das letzte Maximum wurde im Februar 2014 erreicht und war Teil des 24. Zyklus. Es blieb deutlich hinter jenen des vergangenen Jahrhunderts zurück. Im Dezember 2019 begann der 25. Zyklus, in derem ansteigenden Ast wir uns aktuell befinden.
Dunkle Flecken, helle Fackeln
Sonnenflecken haben ihre Ursache im Magnetfeld der Sonne. Von einem Zyklus auf den anderen wechselt die Polarität des Magnetfelds. Es braucht also zwei Schwabe-Zyklen, um wieder zur urspünglichen Polarität zurückzukehren. Diese dann 22-jährige Periode wird als Hale-Zyklus bezeichnet (George Ellery Hale, 1868-1938). Das Magnetfeld wiederum entsteht durch die komplizierten Strömungsverhältnisse im heissen Plasma der Sonne und ist Gegenstand der Forschung in der Magnetohydrodynamik. Man spricht auch vom Sonnen-Dynamo, wobei hier nach neuesten Untersuchungen auch zwei verschiedene Prozesse beteiligt zu sein scheinen. Während ruhiger Phasen ist das Magnetfeld zunächst relativ glatt strukturiert. Die Sonne ist aber kein fester Körper, sondern ein Ball aus heissem Gas. Er rotiert und braucht für eine vollständige Umdrehung im Mittel 27 Tage. Allerdings rotiert die Sonne am Äquator schneller (25 Tage) und an den Polen langsamer (31 Tage). Dies wird als differentielle Rotation bezeichnet. Durch sie wird das Magnetfeld allmählich verdrillt, die Struktur wird komplizierter und nimmt zunehmend chaotische Ausmasse an. Es bilden sich Schlaufen von Feldlinien, welche die Photosphäre durchdringen – sie treten an einer Stelle aus, und an einer anderen wieder ein. In diesen Bereichen bilden sich paarweise die Sonnenflecken.
Abb. 1: Struktur der Magnetfeldlinien im Bereich der Sonnenflecken (Quelle: Wikipedia)
Durch das hier starke Magnetfeld wird der Energietransport aus dem Sonneninneren lokal gestört, weshalb die Sonnenflecken im Vergleich zur sonst rund 6000 Grad heissen Oberfläche um bis zu 2000 Grad kälter sind. Neben den dunklen Sonnenflecken gibt es die hellen Sonnenfackeln (in der Fachliteratur Faculae oder Plages), sie liegen zwischen den Flecken und sind mit rund 7000 Grad heisser als die restliche Oberfläche. Sie sind ein anderer Aspekt desselben Phänomens und haben ebenfalls magnetische Ursachen. Zu Zeiten von Samuel Heinrich Schwabe war die magnetische Natur der Sonnenflecken noch unbekannt, diese kristallisierte sich erst langsam heraus. Durch diverse Satelliten und Sonden hat sich das Verständnis der Physik enorm verbessert. Die Sonne wird in Echtzeit überwacht!
Abb. 2: Aktuelles Bild der Sonne von heute Morgen, aufgenommen vom Weltraumobservatorium SOHO (Quelle: NASA)
Die ersten Flecken eines neuen Zyklus entstehen typischerweise zwischen 30° und 40° nördlich und südlich des Sonnenäquators. Im weiteren Verlauf nähern sie sich zunehmend dem Äquator an, wobei die Zahl der Flecken zunimmt. Trägt man dies gegeneinander auf, ergibt sich das bekannte Butterfly-Digramm:
Abb. 3: Butterfly-Diagramm, zeitlicher Zusammenhang zwischen der Anzahl der Sonnflecken und dem Breitgrad ihres Auftretens (Quelle: NASA)
Im Zuge der verbesserten Datenlage hat auch die numerische Simulation mittels Computermodellen grosse Fortschritte gemacht. So gibt es inzwischen Vorhersagen für den aktuellen Zyklus und in der Übergangsphase für den darauffolgenden. Danach sollte auch Nr. 25, ähnlich wie die Nr. 24, vergleichsweise schwach verlaufen. Dies schliesst allerdings nicht aus, dass während kurzfristiger Schwankungen vermehrt koronale Massenausbrüche und Sonnenstürme auftreten können. Auch aktuell liegt die beobachtete Anzahl der Sonnenflecken über der jener der Prognose.
Auswirkungen auf die Erde
Veränderungen auf der Sonne haben natürlich auch einen Einfluss auf unsere Welt! Sonnenstürme gefährden Satelliten und können Kommunikationssysteme stören, zu den schönen Aspekten zählen die Polarlichter. Durch den stets vorhandenen Sonnenwind, ein Strom geladener Teilchen, sind sie in den Polarregionen regelmässig zu beobachten. Bei starken Massenausbrüchen auf der Sonne können sie vorübergehend aber auch deutlich weiter südlich auftreten. Die Vorwarnzeit zwischen dem Ereignis auf der Sonne und dem Eintreffen des Teilchenstroms auf der Erde beträgt typischerweise um die 4 Tage.
Abgesehen von diesen kurzfristigen Eruptionen variiert aber auch der Strahlungshaushalt im Rahmen der oben beschriebenen 11- und 22-jährigen Zyklen. Darüber hinaus scheinen auch diese selbst einer gewissen längerfristigen Schwankung unterworfen zu sein, zur Zeit wird hier ein 350 bis 400 Jahre Rhythmus favorisiert. Dies passt auf den ersten Blick auch gut zum Maunder-Minimum, einer Phase sehr geringer Sonnenfleckenaktivität zwischen 1645 und 1715. Es fällt mit einer aussergewöhnlichen Kältephase zusammen, der mittleren kleinen Eiszeit. Allerdings kann die geringe Fleckenaktivität diese Kältephase nicht vollständig erklären, die Temperaturen begannen schon vorher zu sinken.
Abb. 4: Verlauf der Sonnenfleckenhäufikeit seit 1610
Die reduzierte Strahlungsleistung der Sonne ist nur ein Teilaspekt und spielt nach aktuellem Kenntnisstand nur eine untergeordnete Rolle. Im vorigen Jahrhundert erreichte die Sonnenaktivität einen Höhepunkt (siehe auch Abbildung 3), diese Phase dauerte bis 2009 und wird als "Modernes Maximum" bezeichnet. Allerdings ging die Strahlungsleistung schon seit den 80er-Jahren zurück, während die globale Mitteltemperatur anstieg. Diese Diskrepanz hat sich seither weiter verschärft! Die Aktivitätsrate während der Maxima sinkt, die mittlere Strahlungsleistung geht zurück, der globale Temperaturtrend steigt dagegen weiter klar an. Neue Modellrechnungen legen nahe, dass auch die folgenden Sonnenzyklen schwächer ausfallen und es eventuell zwischen 2030 und 2040 zu einem solaren Super-Minimum kommen könnte. Dies scheint aber den antrophogenen Treibhauseffekt nicht einmal annähernd kompensieren zu können.
