4. Sonne und Sonne

4. Sonne und
Sonne-Erde Beziehung
4.1 Die Sonne
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4.1.1 Sonnen-Schichten: Übersicht
d= 700‘000 km
dJupiter ≈ 70‘000 km
dErde ≈ 7‘000 km
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4.1.2 Die Sonne in Zahlen
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Masse = 1.99 1030 kg ( = 1 M)
Effektive Temperatur = 5772 K (G2 V)
Temperatur im Kern= 15 106 K
Oberflächen-Gravitations-Beschleunigung g = 274 m/s2
Alter = 4.55 109 Jahre (von Meteoriten Isotopen)
Radius = 6.96 105 km, ca. 700 Mm
Distanz = 1 AU = 149.597871 106 km
ca. 150 Mio km
• Rotationsperiode = ≈27 Tage (Carrington Rotation)
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4.1.3 Die Solar-Konstante
Die seit 1979 gemessene über alle Wellenlänge integrierte Einstrahlung bei Erddistanz
(ausserhalb der Atmosphäre) von der Sonne, die sogenannte Totale Sonneneinstrahlung,
relativ zu 1361 W/m2. Die farbigen Bereiche zeigen die Unsicherheiten des jeweiligen
Instrumentes. Die Einstrahlung variiert um in Phase mit der Sonnenaktivität.
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4.1.4 Sonnenoberfläche
Ruhige Sonne: OberflächenTemperatur +- ca. 150 K um die
effektive Temperatur,
d.h. 5650 – 5900 K
Granulen = Konvektionszellen
= Ende der Aufwärtsbewegung – in
der Zelle mehr oder weniger
wagrechte Strömung - Absinkende
Bereiche zwischen den Zellen.
Typische Grösse 700 km.
Lebensdauer ca. 15 min.
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Sonne ist kein Festkörper, sondern ist ein Gasball (Plasma)
Keine scharfe Oberfläche
Die Oberfläche als die Region definiert, bei der das Licht entweicht
Üblicherweise wird τ = 1 bei λ=5000 Å (=500 nm) als Sonnenoberfläche definiert
(andere Definitionen kommen auch vor)
Optische Tiefe ist wellenlängenabhängig
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4.1.5 Temperatur-Struktur der
Sonnen Atmosphäre (nicht-aktive Sonne)
Hier ist die Höhe h
der innere Rand der
Modellatmosphäre.
Die Photosphäre ist
bei ca. 50 km in
dieser Graphik.
Die Chromosphäre ist
die Region mit einem
flachen
Temperaturverlauf
von ca 6-7000 K.
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Die bezeichneten
Spektral-Linien
werden im
angegebnen
Höhenbereich in der
Atmosphäre geformt.
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4.1.6 Sonnenflecken
Umbra ca. 4000 K
Penumbra ca. 5500 K
Ruhige Sonne 5770 K
Flecken (Mini Version: Poren): Typische
Grösse 10-20‘000 km (Poren 1000 km).
Lebensdauer Tage bis typisch knapp einen
Monat; grosse Gruppen auch länger.
Magnetfeldstärke in den Flecken typisch
2-3 kGauss.
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4.1.7 Fackeln
Helle Gebiete (= wärmer als ruhige
Sonne)
in der Photosphäre: Fackeln.
Gebiete mit höherer Magnetfeld
Konzentration; typisch 400 Gauss.
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Helle Gebiete (= wärmer als ruhige Sonne)
in der Chromospäre: Plages.
Lebensdauer wie Sonnenflecken, Tage bis typisch
ein Monat; grosse Gebiete auch länger.
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4.1.8 Sonnenrotation
Während die äußeren Bereiche der Sonne mit
25 Tagen am Äquator und 36 Tagen an den
Polen um die Sonnenachse rotieren, rotiert das
Sonneninnere wie ein starrer Körper mit einer
Rotationsperiode von etwas weniger als 27
Tagen.
Die Tachocline ist der Übergang von der starren
zur differenziellen Rotation. In der gleichen
Region beginnt auch die Konvektionszone.
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4.1.9 Fleckenzyklus
Der Fleckenzyklus dauert im Durchschnitt 11.2 Jahre. Starke, grossflächige Magnetfelder sind mit den Flecken assoziiert. Die Polaritäten
sind ost-westlich gerichtet. Das Vorzeichen ist für eine bestimmte
Halbkugel einheitlich, aber dem der anderen Halbkugel entgegengesetzt. Das Vorzeichen wechselt alle 11 Jahre. Am Anfang des Zyklus
erscheinen die Flecken bei ca. 30-40o Breite; am Ende bei ca. 8o.
Die typische Lebenszeit eines Flecks liegt etwas unter einem Monat,
sie kann aber einige Monate oder nur einen Tag betragen.
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4.1.10 Ursache des 11-Jahre Zyklus
Die differentielle Sonnenrotation formt den Magnetzyklus. Bei a) ist die ganze
Sonne im Wesentlichen nicht aktiv und das dominierende Magnetfeld bipolar.
Bei d) erscheinen die Flecken an der Oberfläche. Nach einem Zyklus von ca. 11
Jahren ist die Polarität umgekehrt f).
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4.1.11 Magnetischer 22-Jahre Zyklus
Orts- und zeitaufgelöste Variation des Magnetfeldes auf der Sonnenoberfläche
(magnetisches Schmetterlingsdiagramm). Die über eine Sonnenrotation gemittelte
magnetische Sehlinen-Komponente als Funktion der Zeit: Gelbe und blaue Farben
zeigen positive bzw. negative Magnetfelder. Alle ca. 22 Jahre wiederholt sich die
magnetische Konfiguration. Die neuen magnetischen Gebiete entstehen wie die
Sonnenflecken bei ca. 300 Breite. Die Anti-Pol-Polarität wandert gegen die Pole, die
andere gegen den Äquator. Sonnenflecken wandern nicht gegen die Pole.
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4.1.12 Sonnenaktivität
Die Aktivität der Sonne variiert auf auf verschiedenen Skalen:
 räumlich, zeitlich, energetisch
Die Aktivitäts-Regionen erscheinen in verschiedenen Schichten
Photosphäre: Sonnenflecken, Fackeln
Chromosphäre: Plage, Flares
Korona:
koronale Massenauswürfe, Protuberanzen
Erscheinung als:
Heizung, Teilchenbeschleunigung,
Wellenausbreitung und Schocks
Emission von Strahlung
Ursache:
Bewegung des Plasmas
Interaktion des Magnetfeldes
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4.1.13 Sonnenkorona und Sonnenwind
Der ausserhalb der Erde gemessene
Sonnenwind zeigt, dass die Sonne einen
ständigen Massenverlust erleidet. Die
bei der Erde beobachteten
Geschwindig-keiten liegen typisch bei v
= 400 km/s. Mit den bei der Erde
gemessenen
Teilchendichte im Wind von
n=1-10 cm-3 bzw. Massendichte
1.7-17 10-24 g/cm3.
Damit ist der Massenverlust der Sonne
Der Sonnenwind ist Temperatur- bzw. Druck getrieben und fliesst aus der Korona mit
einer geringen Teilchendichte (n < 108 cm-3 und sehr hoher Temperatur von 1-2 106 K.
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4.2 Weltraumwetter
„Weltraumwetter bezeichnet den physikalischen und phänomenologischen
Zustand des natürlichen Umfeldes im Weltraum“
Durch Beobachtung, Überwachung, Analyse und Modellierung ...
- soll der Zustand der Sonne verstanden bzw. vorhergesagt werden;
- die planetare/interplanetare Umgebung sowie Störungen auf diese beschrieben
werden.
Weltraumwetter beinhaltet verschiedene Phänomene, abhängig von der Aktivität:
• auf der Sonne
• im inter-planetarischen Raum
• in der (Erd-)Magnetosphäre
• in Ionosphere und Thermosphäre (der Erde)
Einfluss durch:
Strahlung, hochenergetische Teilchen, Störungen des
Erdmagnetfeldes
Diese Phänomene beeinflussen u.a. die nähere Umgebung der Erde, inklusive der
Erdoberfläche und mit Einfluss auf die Technologie
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4.2.1 Phänomene des Weltraumwetters
Sonnenwind: Strom bestehend aus Gas und energiereichen geladenen Teilchen
(Plasma), hauptsächlich Protonen und Elektronen, welche der Sonne entweichen,
Geschwindigkeiten typisch 350 km/s
Flares: Eine plötzliche Eruption auf der Sonnenscheibe, welche von einigen Minuten
bis zu Stunden Dauern kann. Es hat eine erhöhte Emission von Strahlung und
Teilchen zur Folge
Koronale Massenauswürfe (CME) (mit oder ohne Flares): Ausbruch einer
Meteriewolke von der Sonne – manche, aber nicht alle CMEs gehen mit einem Flare
einher
Geomagnetische Stürme: Störung/Rekonfiguration des Erdmagnetfledes aufgrund
des Auftreffen eines CMEs
Fluktuationen der Strahlung im extremen EUV aufgrund von Sonnenaktivität und
Flares
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4.3 Sonne-Erde-Beziehung
Vergleich der nördlichen Sommer Einstrahlung mit Eiszeiten (Wikipedia).
 Starke Einstrahlung im Juli auf 65o nördlicher Breite verursachen eine
Warmzeit.
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4.3.1 Drei Parameter bestimmen die
Variation der Bestrahlungsstärke
Position des sonnennächsten Punkts
der Erdbahn
Ellipse:
Achsenverhältnis
(Sonne im Brennpunkt)
Neigung der
Erdachse
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4.3.2 Strahlungs-“Forcing“
Betrachtet man die
Einstrahlung im Juli auf 65o
nördliche Breite erhält man
das sogenannte „StrahlunsForcing“.
Die Überlagerung vieler
Perioden lassen die
Bestrahlungsvariation
chaotisch erscheinen.
Die wesentlichste Periode ist
um 100‘000 Jahre von der
Variation der
Bahnexzentrizität.
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4.3.3 Klima-Anomalien (letzten 400 Jahre)
Kleine Eiszeit
Klima-Anomalien sind mit der Variation der Sonnenaktivität korreliert
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4.3.4 Sonne-Erde Beziehung: Einfluss auf
das Klima
Gesichert:
• Strahlungseinfluss durch Schwankungen der Erdbahn-Parameter bei
Eiszeiten ist unbestritten  Warmperioden während der letzten
Eiszeit (Wie genau ist noch nicht vollständig erforscht)
Spekulativ:
• Ein Strahlungseinfluss in den letzten 1000 Jahren?
• Um wie viel die Sonnenausstrahlung schwanken kann ist offen
• in Zukunft, innerhalb 20 bis 100 Jahren, wird eine Reduktion der
Sonnenaktivität erwartet: Wie immer der Einfluss funktioniert:
 Ein Dalton- oder Maunder-Type Minimum könnte die globale Erwärmung
um ca. 0.5 oC verringern
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