Warum hat die Sonne einen Zyklus, in dem sie die Beherrschung verliert?

Berichten zufolge soll Chinas erster umfassender Sonnenerkundungssatellit, das Advanced Space-based Solar Observatory (ASO-S), im Oktober dieses Jahres gestartet werden. ASO-S nutzt den 25. Sonnenaktivitätszyklus und verfolgt als wissenschaftliches Ziel „ein Magnetfeld und zwei Stürme“. Das System führt gleichzeitige Beobachtungen von Sonneneruptionen, koronalen Massenauswürfen und die gesamte Sonnenscheibe umfassenden Vektormagnetfeldern durch, um die Vorhersage von Weltraumkatastrophen zu unterstützen, die das normale menschliche Leben ernsthaft beeinträchtigen.

„Wir befinden uns derzeit in der Aufwärtsphase des 25. Sonnenaktivitätszyklus, und die Sonnenaktivität nimmt immer mehr zu. Die zweite Jahreshälfte ist eines der besten Zeitfenster für systematische und detaillierte Beobachtungen der Sonne“, sagte Tan Baolin, Forscher am Nationalen Astronomischen Observatorium der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, gegenüber Science and Technology Daily.

Wissenschaftler gehen im Allgemeinen davon aus, dass der Zyklus der Sonnenaktivität etwa 11 Jahre beträgt. Wie also haben Wissenschaftler dieses Gesetz entdeckt? Warum ist die Sonnenaktivität zyklisch? Welchen Einfluss hat der Sonnenaktivitätszyklus auf Sonnenbeobachtungen und das tägliche Leben?

Zusammenfassung der Muster aus 250 Jahren Sonnenfleckenaufzeichnungen

Die Sonne ist normalerweise nicht „ruhig“. Yan Yihua, ein Forscher am National Space Science Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, stellte vor, dass auf der Sonne vorübergehende Phänomene auftreten werden, die durch Sonneneruptionen verursacht werden, wie etwa Sonnenflecken, Flares und koronale Massenauswürfe. Darüber hinaus „bläst“ die Sonne weiterhin einen Strom hochtemperierter geladener Teilchen aus, den Sonnenwind.

„Sonnenflecken sind ein grundlegendes Zeichen der Sonnenaktivität.“ Tan Baolin sagte, Sonnenflecken seien wie „Muttermale im Gesicht“ der Sonne. Tatsächlich ist ein mittelgroßer Sonnenfleck jedoch etwa so groß wie die Erde und der Sonnenfleck selbst ist nicht schwarz, sondern erscheint schwarz, weil seine Temperatur niedriger ist als die der Sonnenphotosphäre. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass die niedrige Temperatur der Sonnenflecken durch starke Magnetfelder verursacht wird, die etwa 10.000 Mal stärker sind als das Magnetfeld der Erde.

Im Jahr 1610 beobachtete der italienische Astronom Galileo Sonnenflecken mit einem astronomischen Teleskop. Im Jahr 1851 entdeckte der deutsche Astronom Schwabe durch 17 Jahre kontinuierliche Beobachtung und Kartierung, dass die Anzahl der Sonnenflecken einem Zyklus von etwa 10 Jahren unterliegt.

Inspiriert von Schwabe analysierte und sammelte Wolf, Direktor der Sternwarte Zürich in der Schweiz, Aufzeichnungen von Sonnenflecken aus über 250 Jahren. Wolf entdeckte, dass mit der Zunahme der Anzahl von Sonnenflecken oder Sonnenfleckengruppen auch die Sonnenaktivitätsphänomene wie Protuberanzen und Flares entsprechend zunehmen. Wolf schlug daher vor, dass die Anzahl der Sonnenflecken das durchschnittliche Niveau der Sonnenaktivität darstellen könnte.

Wolf stellte außerdem fest, dass die Zahl der Sonnenflecken im Laufe der Zeit zyklisch schwankt und zwischen 9 und fast 14 Jahren schwankt, wobei der Durchschnitt bei etwa 11,1 Jahren liegt. Er nannte den Zeitraum von 1755 bis 1766 den ersten Sonnenzyklus. Demnach befinden wir uns derzeit in der Aufwärtsphase des 25. Sonnenaktivitätszyklus.

Später entdeckte der deutsche Astronom Sporer, dass sich auch der Breitengrad, in dem Sonnenflecken auftreten, im Verlauf des Sonnenaktivitätszyklus periodisch ändert. Dies ist Sporers Gesetz. Zu Beginn jedes Sonnenaktivitätszyklus erscheinen Sonnenflecken in der Nähe des 30. bis 45. Breitengrads auf der Nord- und Südhalbkugel der Sonne. Im Verlauf des Sonnenaktivitätszyklus nähern sich die Sonnenflecken allmählich dem Äquator. Im Jahr des maximalen Sonnenaktivitätszyklus (dem Jahr mit der größten Anzahl von Sonnenflecken) treten Sonnenfleckengruppen hauptsächlich in der Nähe des 15. nördlichen und südlichen Breitengrads der Sonne auf. Am Ende des Aktivitätszyklus treten Sonnenfleckengruppen hauptsächlich in der Nähe des 8. nördlichen und südlichen Breitengrads der Sonne auf.

Im Jahr 1904 zeichneten die britischen Astronomen Simon und Mary Maunder ein Diagramm, das die sich ändernde Verteilung der Sonnenflecken in verschiedenen Breitengraden der Sonnenscheibe zeigte. Die Sonnenflecken im Diagramm waren schmetterlingsförmig verteilt.

Yan Yihua führte ein, dass der amerikanische Astronom Hale im Jahr 1908 entdeckte, dass Sonnenflecken Bereiche mit starken Magnetfeldern auf der Sonne sind. Damit wurde zum ersten Mal die Existenz von Magnetfeldern in Himmelskörpern im Universum bestätigt und gezeigt, dass die Sonnenaktivität durch das Magnetfeld der Sonne verursacht wird.

Der Sonnenzyklus lässt sich nicht genau vorhersagen

Was treibt die magnetischen Zyklen der Sonne an? Diese Ausgabe wurde vom Magazin Science als eine der 125 aktuellsten wissenschaftlichen Ausgaben aufgeführt.

„Wenn das Magnetfeld eines Sterns auf natürliche Weise zerfällt, dauert es mehr als 10 Milliarden Jahre. Allerdings liegen die magnetischen Pole der Sonnenflecken auf der Nord- und Südhalbkugel der Sonne gegenüber, und es gibt einen 22-jährigen Zyklus der magnetischen Polumkehr. Das bedeutet, dass sich die Polarität des Magnetfelds alle 11 Jahre umkehrt. Das zeigt, dass die Sonne kein gewöhnlicher Stern ist und ihr Magnetfeld nicht auf natürliche Weise zerfällt“, sagte Yan Yihua.

Um den Ursprung des Magnetfelds der Sonne aufzudecken, schlug der amerikanische Astrophysiker Parker 1955 die Solardynamotheorie vor. Tan Baolin erklärte, dass die Sonne ein schnell rotierender „Feuerball“ aus Plasma sei. Plasma ist ein guter Leiter. Durch die Bewegung der Materie im Inneren können in lokalen Bereichen elektrische Ströme entstehen und elektrische Ströme können induzierte Magnetfelder bilden. Dieser Vorgang wird anschaulich als Solargeneratorprozess bezeichnet. Die Solardynamotheorie ist die theoretische Grundlage zur Erklärung der Entstehung der Magnetfelder der Erde, der Sonne und anderer Himmelskörper.

Die Solardynamotheorie kann nicht nur den Ursprung des solaren Magnetfelds erklären, sondern auch den 22-jährigen magnetischen Zyklus. Sie steht zudem im Einklang mit der Breitengradverteilung des Sonnenflecken-„Schmetterlingsdiagramms“ und den Beobachtungsergebnissen. Allerdings kann die Theorie derzeit den Zyklus der Sonnenaktivität nicht genau vorhersagen und die verschiedenen Zyklen und Unregelmäßigkeiten der von Sonnenflecken dargestellten Zyklen nicht erklären. Yan Yihua wies darauf hin.

In den 1960er Jahren schlugen die amerikanischen Wissenschaftler Babcock und sein Sohn sowie Leighton und andere ein frühes Solargeneratormodell vor: Die Wechselwirkung zwischen der differentiellen Rotation der Sonne, dem solaren Dipolmagnetfeld und der meridionalen Zirkulation verursacht die Periodizität der Sonnenaktivität. Dieses Modell wird Babcock-Leighton-Modell genannt. Später verwendeten einige Astronomen auf diesem Modell basierende numerische Simulationen, um halbquantitative Vorhersagen einiger Sonnenaktivitätszyklen zu treffen.

Tan Baolin führte ein, dass das Babcock-Leighton-Modell auf drei grundlegenden Fakten über die Sonne basiert. Der erste Grund besteht darin, dass die Sonne eine unterschiedliche Rotation aufweist, das heißt, dass die Rotationsperioden in den verschiedenen Breitengraden der Sonne unterschiedlich sind. In Äquatornähe ist die Rotation der Sonne schneller und beträgt etwa 27 Tage. Mit zunehmender Breite verlangsamt sich die Rotation allmählich. In der Nähe des 45. Breitengrads Nord und Süd beträgt die Rotationsperiode etwa 31 Tage. In den Polarregionen beträgt die Rotationsperiode fast 40 Tage.

Zweitens gibt es in den Ruhezonen (Bereichen ohne Sonnenflecken) und Polarregionen der Sonne schwächere Magnetfelder, und die Magnetfelder in der nördlichen und südlichen Hemisphäre der Sonne weisen entgegengesetzte Richtungen auf.

Drittens gibt es in der Sonnentroposphäre eine meridionale Zirkulation, d. h. das Material auf der Sonnenoberfläche fließt vom Äquator zu den Polen, während das Material am Boden der Sonnentroposphäre von den Polen zum Äquator fließt, wodurch ein geschlossener Kreislauf entsteht. Dieses Phänomen wird als solare meridionale Zirkulation bezeichnet.

Doch aus Tan Baolins Sicht ist das Generatormodell immer noch ein semiquantitatives empirisches Modell. Es ist bisher nicht gelungen, theoretisch genau zu erklären, welche physikalischen Faktoren die Länge und den Zeitpunkt des Sonnenaktivitätszyklus bestimmen und warum der Sonnenaktivitätszyklus etwa 11 Jahre beträgt.

Dies wird schwerwiegende Auswirkungen auf Satelliten, Stromnetzsysteme usw. haben.

Tan Baolin wies darauf hin, dass der Sonnenaktivitätszyklus nicht nur eine periodische Widerspiegelung der Anzahl der Sonnenflecken auf der Sonne ist, sondern auch eine periodische Manifestation der Energieabgabe der Sonne in den umgebenden Weltraum, von Sonneneruptionen und Sonnenstürmen.

„Die Untersuchung des Sonnenaktivitätszyklus wird einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung vieler Disziplinen haben.“ Tan Baolin sagte, dass uns die Untersuchung des Ursprungs des Sonnenaktivitätszyklus helfen werde, den Entstehungs- und Entwicklungsprozess der Sonne und vieler sonnenähnlicher Sterne im Universum besser zu verstehen.

Darüber hinaus wird die Erforschung des Sonnenaktivitätszyklus dazu beitragen, die Entwicklungstendenz künftiger Weltraumwetteraktivitäten besser vorherzusagen und im Voraus über zukünftige Sonneneruptionen und mögliche Sonnenstürme zu erfahren.

„Das Studium des Sonnenaktivitätszyklus könnte auch die Entwicklung von Disziplinen wie Plasmaphysik, Fluidphysik und Astrophysik direkt fördern und sogar einen wichtigen Einfluss auf die Ingenieurstechnologie haben“, sagte Tan Baolin.

Hat der Sonnenaktivitätszyklus einen großen Einfluss auf das Leben der normalen Menschen? Yan Yihua sagte, dass die Auswirkungen unter normalen Umständen nicht so groß seien und es nicht einmal direkte Auswirkungen gebe. Allerdings kann die Sonnenaktivität erhebliche Auswirkungen auf Satellitensysteme, Stromnetze usw. haben und diese sogar schwer beschädigen, was indirekt Auswirkungen auf das Leben der Menschen hat. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass das Mobiltelefonsignal schwach wird oder verloren geht oder die Navigation unbrauchbar wird.

So beschädigte beispielsweise der Carrington-Sonneneruptionsanfall im Jahr 1859 das damalige weltweite Telegrafennetz schwer und machte der Menschheit erstmals die Auswirkungen der Sonnenaktivität auf die Weltraumumgebung der Erde bewusst. Im März 1989 löste der heftige koronale Massenauswurf eine extrem starke geomagnetische Explosion aus, die das Stromnetz im kanadischen Quebec innerhalb von 90 Sekunden vollständig lahmlegte und direkte wirtschaftliche Verluste von etwa 500 Millionen US-Dollar verursachte. Das große Sonnenaktivitätsereignis im Oktober 2003 führte zur Unterbrechung der Kurzwellenkommunikation auf globaler Ebene, zur Unterbrechung der Überhorizontradar- und Zivilluftfahrtkommunikation, zur einstündigen Unterbrechung des schwedischen Stromnetzes, zum Ausfall der Navigation des Global Positioning System (GPS) und zum Verlust von Daten mehrerer wissenschaftlicher Satelliten.

Darüber hinaus sagte Yuan Lanfeng, stellvertretender Direktor des Forschungszentrums für Wissenschaftskommunikation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass die langfristigen Veränderungen der Sonnenflecken auch eng mit dem Klima der Erde zusammenhängen. So war beispielsweise die Kleine Eiszeit von 1300 bis 1850 eine Periode, in der die Sonnenaktivität deutlich schwächer war als im Durchschnitt der darauffolgenden Zeiträume.