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SonnenstürmeDie dunkle Seite der Sonne

Wenn starke Sonnenstürme auf die Erde treffen: Von Polarlichtern bis zu Stromausfällen und Störungen im GPS-System können vorkommen.

Am 7. Juni 2011 hat sich nach Beobachtungen der US-Raumfahrtbehörde Nasa eine «ungewöhnlich heftige Sonneneruption» ereignet. Dabei wurde eine riesige Partikelwolke freigesetzt. Weil die Eruption aber nicht direkt zur Erde hin gerichtet war, blieb die Eruption ohne Folgen für die Erde. (Bild: NASA/SDO)
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Eindrückliche Sonneneruptionen 2010

Die Sonneneruption im ersten Teil des Filmes wurde am 30 März 2010 aufgezeichnet. Am 8 April folgte eine kleinere Eruption, die in einem anderen Wellenbereich erfasst wurde (am Schluss des Filmes). Bildrechte: NASA, AIA/SDO

Polarlichter – Rot-grüner Himmel am Bodensee

Eine aktive Sonne führte am 30. Oktober 2003 zu einem seltenen Schauspiel: Sogar in unseren gemässigten Breiten waren rote und grüne Polarlichter sichtbar, wie das Bild vom Bodensee zeigt. Polarlichter sind eine direkte Folge der Sonnenaktivität. Aus der Sonnenatmo­sphäre gelangt ein steter Strom atomarer Teilchen ins All. Dieser Sonnenwind wird durch Sonnenflecken verstärkt und gelangt zur Erde, wo die Teilchen auf das Erdmagnetfeld treffen und in die oberen Schichten der Erdatmosphäre eintreten. Sie laden die Luftgase in der Atmosphäre auf und regen sie zum Leuchten an – wie in einer gigantischen Leuchtstoffröhre. Grünes Polarlicht entsteht durch angeregte Sauerstoffatome in rund 100 Kilometern Höhe, rotes Licht durch Anregung von Sauerstoffatomen ab etwa 200 Kilometern Höhe. Angeregte Stickstoffatome senden ein violettblaues Licht aus. Polarlichter sind bei ruhiger Sonne nur in Gegenden über den 60. Breitengraden zu sehen: als Aurora borealis im Norden oder Aurora australis im Süden. 

Text und Bild: Andreas Walker
Quelle: SOHO (ESA & NASA)

Steht uns gar wieder bevor, was als Maunder-Minimum in die Geschichte einging? Edward Maunder lebte von 1851 bis 1928, doch sein Name ist mit einer ungewöhnlichen Phase der Sonnenflecken zwischen 1645 und 1715 verbunden. In der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts konnten die Himmelsgucker praktisch keine Sonnenflecken wahrnehmen, und manch einer verwarf das 1610 wiederentdeckte Phänomen als Unsinn. Die Ruhephase gab auch den seltsamen Ideen des William (alias Friedrich Wilhelm) Herschel den Rest. Der nach England ausgewanderte deutsche Astronom sichtete 1781 als Erster den Planeten Uranus. Herschel war ein brillanter Astronom, hatte aber die eigenwillige Vorstellung von einer Sonne, die im Innern kalt und von Lebewesen bewohnt ist. Er wollte nicht wahrhaben, dass die Sonne nur Licht- und Energiespender sein sollte, und schrieb ihr aus philosophischen Prinzipien Leben zu. Sonnenflecken wären demnach die Fenster dieser Kreaturen gewesen – ihre Abwesenheit sprach aber gegen seine These.

Edward Maunder ging wissenschaftlich präziser vor und beugte sich über die Datenreihen der Vergangenheit. Er erkannte im Datenwust eine Ruhezeit im 17. Jahrhundert und machte seine Kollegen darauf aufmerksam. Zunächst wollte das niemand hören, denn die mächtige Sonne galt als stabil; langfristige Unregelmässigkeit (Variation) – worauf die fleckenlose Zeit hinwies – widersprach den gängigen Vorstellungen. Bis die britische Astronomin und Historikerin Agnes Clerke 1894 auf Maunders Analyse stiess. Sie wusste durch eigene Studien, dass für jene Zeitspanne keine Polarlichter dokumentiert waren, und untermauerte damit Maunders Befund, denn man hatte damals bereits erkannt, dass zwischen Sonnenaktivität und Polarlichter ein Zusammenhang besteht.

Sonnenmission - Datenströme ohne Ende

Ein besseres Verständnis der Vorgänge auf und in der Sonne verspricht der Sonnensatellit SDO (Solar Dynamics Observatory). Am 11. Februar dieses Jahres flog die Sonde an Bord einer Atlas-V-Rakete ins All, seither umkreist sie synchron zur Erde die Sonne. Der 3100 Kilogramm schwere Satellit überwacht und erforscht die Sonne mit drei Instrumenten: Ein Aufnahmesystem mit vier Teleskopen fotografiert die Korona und die Sonnenatmo­sphäre in verschiedenen UV-Bereichen – alle zehn Sekunden werden Bilder geschossen.

Ein zweites Gerät namens EVA misst die energiereiche Strahlung im extremen UV-Bereich. Und schliesslich erkundet ein bildgebendes System die Magnetfelder auf und in der Sonne. Temperaturen im Innern können durch die Messung von Schallwellen rekonstruiert werden, die durch die Bewegungen der heissen Gase entstehen.

Nie wurde die Oberfläche der Sonne präziser vermessen, erklären Nasa-Ingenieure. Die Bilder oben zeigen frühere Aufnahmen der Sonne in verschiedenen UV-Bereichen.

Unterdessen haben Untersuchungen der Zyklen seit dem Ende der letzten Eiszeit längerfristige Schwankungen bestätigt. Analysen von Baumringen und Eisbohrkernen der letzten 12'000 Jahre belegen immer wieder längere Ruhephasen, die durchschnittlich alle 500 Jahre auftreten können. Solanki vermutet deshalb, dass die Sonne nach einer «ausschweifenden Phase dabei ist, zur biederen Normalität zurückzufinden».

Sonne bremst Erderwärmung nicht

Das Maunder-Minimum fiel in die Zeit der Kleinen Eiszeit in Europa, als die Winter sehr kalt und streng waren. Stand die relative Sonnenruhe in Zusammenhang mit dieser Kältephase? Auch drängt sich die Frage auf, ob die aktive Sonnenphase im 20. Jahrhundert Ursache dafür sein könnte, dass sich die Atmosphäre der Erde seit 1860 um durchschnittlich 0,8 Grad erwärmt hat. Antworten darauf sucht unter anderen das Physikalisch-Meteorologische Observatorium in Davos, das die Totalstrahlung der Sonne und deren Veränderungen misst.

Den Forschungsergebnissen zufolge führen die Veränderungen im Auftreten der Sonnenflecken zu einer Schwankung der totalen Sonnenstrahlung um 0,1 Prozent, was nicht ausreicht, um die Erwärmung zu erklären: Laut Direktor Werner Schmutz sind 0,2 bis höchstens 0,4 Grad des Temperaturanstiegs im 20. Jahrhundert auf die Sonnenvariation zurückzuführen. Sami Solanki stimmt zu: «Die Veränderung der Sonnenstrahlung ist nicht der dominierende Faktor der Klimaerwärmung, die wir seit 100 Jahren beobachten.» Abschliessend geklärt sind die Zusammenhänge jedoch nicht, wie auch Solanki einräumt.

Dass die schwächelnde Sonne die prognostizierte Klimaerwärmung kompensieren könnte, ist allerdings höchst unwahrscheinlich. Laut dem Klimatologen Stefan Rahmstorf, Professor am Potsdamer Institut für Klimafolgenforschung, würde ein 100-jähriges Sonnenflecken-Minimum zu einer Senkung der Temperaturen um rund 0,3 Grad führen, während die Klimaerwärmung – je nach Anstieg des CO2-Gehalts – zwei bis drei Grad betragen würde.

Weltraumwetter gibt Auskunft

Die Erwärmung der Erdatmosphäre wird also auch die Sonne nicht aufhalten. Doch das Phänomen der regelmässig auftauchenden Sonnenflecken drängt sich regelrecht auf, um wiederkehrende Vorgänge auf der Erde mit kosmischen Einflüssen zu erklären. William Herschel, der Mann, der an Leben auf der Sonne glaubte, fand auch einen angeblichen Zusammenhang zwischen Weizenpreisen und der Anzahl Sonnenflecken, mit der Begründung, dass das Getreide zu Zeiten geringer Aktivität teurer war, weil dann die Ernten schlechter ausfielen. Ins gleiche Schema fallen vermutete Einflüsse auf den Fischfang in Russland, Insektenpopulationen in Grossbritannien oder Vogelzüge, die angeblich alle im Takt mit dem Sonnenzyklus schwanken.

Die Sonne: Ein heisser Gasball in der Mitte seines Lebens

Seit 4,6 Milliarden Jahren leuchtet unsere Sonne, und sie wird noch einmal so lange weiterleuchten, bevor sie ausbrennt. Ihr Kern macht nur zwei Prozent des Sonnenvolumens, aber 60 Prozent der Masse aus. Mit rund 15 Millionen Grad Celsius ist sie in ihrem Innern so heiss und dicht, dass dort die Kernverschmelzung von Wasserstoff zu Helium stattfinden kann. Energie dringt an die Oberfläche, wo sie als Licht und Wärmestrahlung abgegeben wird. 

Die Sonnenoberfläche (Photosphäre) hat eine Temperatur von 6000 Grad. Sie ist nicht fest, sondern ein brodelndes Meer aus leuchtendem Gas. Sonnenflecken erscheinen als dunkle Orte auf der Oberfläche. Sie sind nur 3700 Grad heiss und werden Tage bis Wochen alt. Die Zahl der Sonnenflecken steigt und fällt in einem elfjährigen Zyklus.

Deutlich heisser als die Sonnenoberfläche ist die darüberliegende Atmosphäre: Die Korona weist Temperaturen von über einer Million Grad auf. Von ihr strömt der Sonnenwind in den Weltraum. Zwischen Korona und Photosphäre liegt die Chromosphäre. Dichte Gasmassen, die in die Atmosphäre ragen und durch Magnetbogen festgehalten werden, nennt man Protuberanzen.

Aufbau der Sonne

  1. Korona: Dünne Gase bilden die äussere, über eine Million Grad heisse Atmosphäre der Sonne.

  2. Photosphäre: Auch die sichtbare Oberfläche der Sonne ist nicht fest, sondern besteht aus 6000 Grad heissen Gasen.

  3. Konvektionszone: Durch die Bewegung heisser Gasflüsse an der Grenze zwischen Konvektions- und Strahlungszone entstehen Magnetfelder.

  4. Strahlungszone: Die Energie aus dem Kern wird hier als Ströme von Photonen (vereinfacht: Lichtteilchen) abgegeben. Die Temperatur beträgt am Rand zwei Millionen Grad und nimmt nach innen zu.

  5. Kern: Wasserstoffkerne verschmelzen zu Heliumkernen. Dabei wird Energie erzeugt. Die Temperaturen betragen 15 Millionen Grad.  

So entstehen Sonnenflecken

Die elektrisch geladenen Gasflüsse bilden im Innern Magnetfelder, die an die Oberfläche dringen. Das Magnetfeld wird von inneren und äusseren Feldern bestimmt. Weil die oberen Schichten der Sonne nicht fest sind, dreht sich ihre Oberfläche nicht überall gleich schnell. Die Magnetfelder werden dadurch gedehnt und überlagern sich.Durch die Überdrehung und Verwicklung der Magnetfelder entstehen Feldschleifen und Sonnenflecken. Der Rhythmus von elf Jahren wird durch die Bewegung der Gasflüsse bestimmt.

Aufzeichnungen zur Sonne


3000 v. Chr.
Wie viele alte Kulturen huldigten auch die Mayas der Sonne. Das mittelamerikanische Volk, dessen Geschichte bis 3000 v. Chr. zurückreicht, kannte eine Vielzahl von Göttern. Mehrere davon brachte es mit der Sonne in Verbindung, darunter den geflügelten Gott Kukulcán. Wichtigster Sonnengott war Kinich Ahau, der auch als Schöpfer des Universums galt.

3000 v. Chr.
Der Bau der kreisrunden Anlage in Stonehenge wird auf etwa 3000 v. Chr. datiert, einige der tonnenschweren Steine kamen erst später hinzu. Um den Stein-kreis in Südengland ranken sich viele Mythen. Manche Steine sind nach der Sonnenwende und der Tag-und-Nacht-Gleiche angeordnet. Gerätselt wird, ob die Anlage als Observatorium gedient haben könnte.

1350 v. Chr.
Der ägyptische Pharao Echnaton (Diener der Sonne), geboren als Amenophis lV., regierte von 1350 bis 1334 v. Chr. Er gilt als Dichter des Aton-Hymnus, des «grossen Sonnengesangs» zu Ehren des Sonnengotts Aton, der über alle anderen Gottheiten herrschen sollte und damit vorübergehend den altägyptischen Sonnen- und Schöpfergott Re verdrängte.

900 v. Chr.
Die frühesten Hinweise auf Sonnenflecken stammen von den Babyloniern. Ihre Astronomen beobachteten die Gestirne systematisch und beschrieben auf einer Tontafel eine Sonne mit Punkten, die Sonnenflecken darstellen könnten. Es gibt sogar Hinweise darauf, dass schon die Babylonier den Sonnenfleckenzyklus beobachteten.

ca. 500 v. Chr.
Der Sonnengott Helios aus der griechischen Mythologie wurde ab dem 5. Jahrhundert v. Chr. zunehmend von Apollon abgelöst. Während Helios im von Pferden gezogenen Sonnenwagen von Ost nach West über den Himmel zieht, verkörpert Apollon die Reinheit und Schönheit der Sonne. Als Sohn des Zeus gehört er wie seine Zwillingsschwester Artemis zu den Hauptgöttern.

4. Jh. v. Chr.
Die Chinesen zeigten früh Interesse an kosmischen Vorgängen und waren begabte Astronomen, die den Einfluss des Himmels auf die Erde erkundeten und Buch über ihre Beobachtungen führten. So berichten sie bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. über eine Sonnenfinsternis. Um ihre Augen vor dem Licht zu schützen, verwendeten sie dünne Jadesteine oder trübes Glas.

350 v. Chr.
Asiatische Astronomen berichten oft über Sterne und Sonnen, im Abendland bleiben Erkenntnisse aus, was damit zu tun haben könnte, dass Aristoteles um 350 v. Chr. die Erde ins Zentrum des Weltbildes rückte und Philosophen die Sonne als «rein» stilisierten. Erst im 9. Jahrhundert finden sich Notizen zu Sonnenflecken in einer Biographie über Karl den Grossen.

165 v. Chr.
Während die babylonischen Aufzeichnungen zu Sonnenflecken nicht ganz eindeutig sind, gibt es bei chinesischen Dokumenten aus dem Jahre 165 v. Chr. keine Zweifel. Darin wird von dunklen Flecken berichtet, die manchmal auf der Sonne erscheinen. In weiteren schriftlichen Zeugnissen aus den folgenden Jahrhunderten werden regelmässig Sonnenflecken erwähnt.

1128
Der englische Chronist John of Worcester veröffentlicht in seinen Aufzeichnungen die Darstellung von zwei Sonnenflecken, die am 8. Dezember 1128 beobachtet wurden. Zwei schwarze Kugeln seien den ganzen Tag über sichtbar gewesen. Dazu passt die Beobachtung eines roten Polarlichts wenige Tage später in Asien, wovon eine Chronik berichtet.

1610/1611
Die Jahre 1610 und 1611 gelten als Entdeckungsjahre der Sonnenflecken: Der ostfriesische Astronom Johann Fabricius, der Jesuit Christoph Scheiner sowie Galileo Galilei richten Teleskope auf die Sonne. Es kommt zum Disput darüber, wem die Ehre der Entdeckung gebührt. Die Verbreitung des Teleskops löst einen Boom in der Himmelsforschung aus.

1844
Nach Heinrich Schwabe ist heute der elfjährige Zyklus der Sonnenflecken benannt. Der Amateurastronom aus Dessau (D) erkannte 1844 als Erster, dass die Häufigkeit der Sonnenflecken in einem Zyklus zu- und abnimmt. Hinter der Erkenntnis steckt minutiöse Forschung: 40 Jahre lang richtete Schwabe täglich sein Teleskop zur Sonne und machte Notizen.

1852
Schwabes Arbeit wäre wohl in Vergessenheit geraten, hätte sich nicht Rudolf Wolf der Daten angenommen. Der Schweizer initiierte den Bau der Zürcher Semper-Sternwarte (Uni/ETH). Er analysierte Daten zu Sonnen-flecken und Studien zum irdi- schen Magnetfeld, verfeinerte Schwabes Zyklus und erkannte den Zusammenhang zwischen Flecken und Magnetismus.

1859
Am 1. September 1859 wurde der Engländer Richard Carrington Zeuge einer gewaltigen Sonneneruption. Gerade als er dabei war, Sonnenflecken abzuzeichnen, kam es zu einem explosiven Auswurf. Am folgenden Tag wurden auf der Erde bis in subtropische Breiten intensive Polarlichter beobachtet. Kurzschlüsse legten Telegraphenstationen lahm.

1894
Edward Maunder (1851–1928) war ein britischer Astronom. Sein Name ist vor allem mit der Periode zwischen 1645 und 1715 verbunden, die in die Kältephase der Kleinen Eiszeit fällt. Während der Maunder-Phase war die Sonne ungewöhnlich ruhig und zeigte kaum Sonnenflecken. Maunder erkannte diese Ruhephase und wies 1894 erstmals darauf hin.

1908
George Ellery Hale (1868–1938) konnte das magnetische Prinzip bei der Entstehung von Sonnenflecken nachweisen. Dazu untersuchte der Amerikaner das Sonnenlicht mittels eines Spektrographen. Seine Analysen wiesen auf starke Magnetfelder in der Region der Sonnenflecken hin. Bekannt war damals bereits, dass Sonnenflecken kühler als ihre Umgebung sind.

1974/76
Nachdem die USA in den 1960er Jahren eine «Pioniersonde» Richtung Sonne geschickt hatte, erkundeten die europäischen Sonden Helios 1 und 2 in den 70er Jahren unser Zentralgestirn. Sie näherten sich bis auf 50 Millionen Kilometer und lieferten unter anderem Messdaten zu den von der Sonne ausgesandten Teilchen (Sonnenwind) und zu den Magnetfeldern.

1989
Eine Sonneneruption führte am 13. März 1989 in Nordamerika (Quebec, New Jersey) zu einem Stromausfall. Die von der Sonne weggeschleuderten Teilchen störten das irdische Magnetfeld so stark, dass es zu Kurzschlüssen in Transformatoren kam. Laut Nasa-Studien können solche geomagnetischen Stürme jederzeit auftreten und immense Schäden verursachen.

1995
Ende 1995 wurde der Beobachtungssatellit Soho (Solar and Heliospheric Observatory) in den Weltraum geschickt. Er umkreist die Sonne synchron mit der Erde. Seine wichtigsten Aufgaben sind die Überwachung der Oberfläche zwecks Frühwarnung bei solaren Ausbrüchen und die Übermittlung von Bildern. Nach technischen Problemen läuft die Mission nun bis 2012 weiter.

2006
Seit Oktober 2006 umkreisen die beiden Stereo-Satelliten die Sonne. Sie befinden sich auf der Erdbahn – der eine vor, der andere hinter uns. Auf diese Weise können sie dreidimensionale Bilder von Ausbrüchen erstellen und errechnen, wann die weggeschleuderten Teilchen die Erde erreichen. Zur Stereo-Mission gibt es eine kostenlose iPhone-Anwendung (3D-Sun).

Veröffentlicht am 01. April 2010