Mehr als 1 Million Grad! Warum ist es heißer, je weiter man von der Sonne entfernt ist?

Theoretisch gilt: Je weiter die Entfernung zur Wärmequelle, desto kälter ist die Luft. Seltsamerweise ist dies bei der Sonne nicht der Fall. Nun haben neuseeländische Wissenschaftler möglicherweise den Hauptgrund dafür gefunden.

Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt etwa 6.000 Grad Celsius, doch innerhalb weniger hundert Kilometer von der Sonnenoberfläche steigt die Temperatur plötzlich auf über 1 Million Grad Celsius an und bildet die Sonnenatmosphäre, also die Korona.

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„Die Temperatur ist so hoch, dass das Gas der Anziehungskraft der Sonne entkommt und zum ‚Sonnenwind‘ wird, der in den Weltraum hinausfliegt und die Erde und andere Planeten trifft“, sagte Dr. Jonathan Squire vom Fachbereich Physik der University of Otago, der die Studie leitete.

Aus Messungen und Theorien wussten die Forscher, dass der plötzliche Temperaturanstieg mit dem Magnetfeld auf der Sonnenoberfläche zusammenhängt. Es war jedoch unklar, wie diese Magnetfelder das Gas erhitzen – dies ist als Problem der Koronaheizung bekannt.

„Astrophysiker haben verschiedene Vorstellungen davon, wie die Energie eines Magnetfelds in Wärme umgewandelt wird, um diese Erwärmung zu erklären, aber die meisten haben Schwierigkeiten, einige Aspekte der Beobachtungen zu erklären“, sagte Squire.

Die vorherrschende Theorie basiert auf einer Erwärmung durch Turbulenzen und einer Erwärmung durch eine Art magnetischer Wellen, die als Ionenzyklotronwellen bezeichnet werden.

Squire und Co-Autor Dr. Romain Meyrand fanden in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Princeton University in den USA und der Oxford University in Großbritannien heraus, dass die beiden bisherigen Theorien zu einer einzigen zusammengeführt werden könnten, wodurch ein wesentlicher Teil des Problems gelöst würde. Die Ergebnisse des Teams wurden kürzlich in Nature Astronomy veröffentlicht.

„Bei beiden gibt es jedoch einige Probleme: Turbulenzen können nur schwer erklären, warum Wasserstoff, Helium und Sauerstoff im Gas so heiß werden, während die Elektronen unerwartet kalt sind. Und obwohl die magnetische Wellentheorie diese Eigenschaft erklären kann, scheinen auf der Sonnenoberfläche nicht genügend Wellen vorhanden zu sein, um das Gas zu erhitzen“, sagte Meyrand.

Mithilfe von sechsdimensionalen Supercomputersimulationen des Koronagases konnte das Team zeigen, dass die beiden Theorien tatsächlich Teil desselben Prozesses sind und durch einen seltsamen Effekt namens „Spiralbarriere“ miteinander verbunden sind.

Dieses faszinierende Phänomen wurde bei früheren von Meyrand geleiteten Forschungen in Otago entdeckt.

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„Wenn wir uns vorstellen, dass die Plasmaerwärmung wie Wasser abläuft, das einen Hügel hinunterfließt und die Elektronen am Boden erhitzt werden, dann wirkt die spiralförmige Barriere wie ein Damm, der den Wasserfluss stoppt und seine Energie in Ionenzyklotronwellen umwandelt. Auf diese Weise verbindet die spiralförmige Barriere die beiden Theorien und löst ihre jeweiligen Probleme“, erklärt Meyrand.

In dieser neuesten Studie hat das Team die magnetischen Feldlinien in Simulationen durcheinandergebracht und festgestellt, dass die Turbulenzen Wellen erzeugten, die dann eine Erwärmung auslösten.

Wenn dies geschieht, ähneln die entstehenden Strukturen und Wirbel bemerkenswert stark jenen, die von der Parker Solar Probe der NASA gemessen wurden. Diese war vor kurzem das erste von Menschenhand geschaffene Objekt, das tatsächlich in die Sonnenkorona geflogen ist.

„Dies gibt uns die Gewissheit, dass wir die physikalischen Schlüsselfaktoren der Korona genau erfasst haben. Zusammen mit den theoretischen Erkenntnissen über den Heizmechanismus bietet uns dies eine effektive Möglichkeit, die Erwärmung der Korona zu verstehen.“

Squire erklärte, dass es wichtig sei, mehr über die Sonnenatmosphäre und den daraus resultierenden Sonnenwind zu erfahren, da diese tiefgreifende Auswirkungen auf die Erde hätten.

Die Wechselwirkung des Sonnenwinds mit dem Magnetfeld der Erde wird als „Weltraumwetter“ bezeichnet und kann alles Mögliche verursachen, von Polarlichtern über satellitenschädigende Strahlung bis hin zu geomagnetischen Strömen, die Stromnetze lahmlegen. Im Grunde werden sie alle durch die Erwärmung der Korona und ihres Magnetfelds ausgelöst.

„Vielleicht können wir mit einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden Physik bessere Modelle zur Vorhersage des zukünftigen Weltraumwetters erstellen und Schutzstrategien implementieren, die Schäden in Milliardenhöhe verhindern könnten“, sagte Squire.

Quelle: China Science Daily

Autor: Li Muzi

Zugehörige Papierinformationen:

https://doi.org/10.1038/s41550-022-01624-z

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