Psychologe schleuder

Wenn am Morgen die Sonne über den Horizont steigt, spüren wir die belebende Kraft, die von dem Millionen Kilometer entfernten Gestirn ausgeht. Die Luft erwärmt sich, Mensch und Tier erwachen: Die Sonne ist unser Stern des Lebens. Wie ein ruhig leuchtender, schwebender Lampion erscheint sie uns manchmal, wenn sie tief über dem Horizont steht. Doch der Schein trügt. In Wirklichkeit ist die Sonne ein brodelnder Gasball, auf dessen Oberfläche sich Explosionen mit unvorstellbarer Kraft ereignen.

Unablässig treibt sie einen Teilchenwind ins All, der sich zu einem interplanetaren Sturm entwickeln kann. Trifft er auf das Erdmagnetfeld, so verursacht er Polarlichter, kann aber auch die Stromversorgung ganzer Landesteile lahm legen und den Funkverkehr zwischen Flugzeugen und Schiffen stören. Obgleich die Geräte nicht alle Fragen beantworten können, ist doch eines inzwischen klar: Die zentrale Rolle bei der Sonnenaktivität spielen Magnetfelder.

Mittlerweile meinen die Sonnenphysiker auch den Bereich in der Sonne gefunden zu haben, in dem das Magnetfeld entsteht. Dieses Auf und Ab der Materie, das man in ähnlicher Weise in einem Kochtopf beobachten kann, bezeichnen Physiker als Konvektion. Häufig bildet sich dabei ein Muster aus deutlich abgegrenzten Zellen, die man auf der Sonne als sogenannte Granulen beobachtet.

Bei dieser Konvektion entstehen Schallwellen, die den Sonnenkörper durchlaufen und ihn zum Schwingen bringen, ähnlich wie ein Klöppel eine Glocke. Der gesamte Gasball wabert wie ein mit Wasser gefüllter Ballon. Vor etwa 40 Jahren entdeckten Robert Leighton vom California Institute of Technology und seine Mitarbeiter, dass sich die oberen Sonnenschichten mit einer Periode von etwa fünf Minuten um einige Kilometer heben und senken.

Dass diese Pulsation ihre Ursache in Schallwellen hat, fand der deutsche Sonnenphysiker Franz-Ludwig Deubner heraus. Das neue Gebiet der Helioseismologie war geboren. Die Fünf-Minuten-Oszillation ist nur eine von Millionen von Schwingungsarten mit unterschiedlichen Frequenzen. Im Grunde handelt es sich um Obertöne, wie sie auch bei Musikinstrumenten auftreten.

Ähnlich wie Seismologen durch die Analyse von Erdbebenwellen das Innere der Erde ergründen, konstruieren Helioseismologen aus den Pulsationsfrequenzen ein Modell vom Aufbau der Sonne. Das ist ein enormer Erfolg. Nach diesem Modell verschmelzen im Zentrum bei Temperaturen bis zu 15,7 Millionen Grad Celsius Wasserstoff-Atomkerne zu Helium.

Bei der Kernfusion wird Energie frei, die letztlich die Sonne leuchten lässt und auch unseren Planeten wärmt. Die Energie kommt in zwei Etappen an die Oberfläche. In der Strahlungszone transportieren Lichtteilchen sie zunächst aus dem Kernbereich fort. Eine der ersten spektakulären Entdeckungen der Helioseismologie war die Erkenntnis, dass der Boden der Konvektionszone ziemlich genau Kilometer unter der Sonnenoberfläche liegt.

Diesen Wert meinen die Forscher bis auf etwa Kilometer, also weniger als ein Promille genau, zu kennen — eine für astrophysikalische Verhältnisse phänomenale Präzision. Doch kaum wähnten sich die Sonnenforscher mit ihrem Wissen über das Sonneninnere im sicheren Hafen, gab es ein Problem. Der Direktor des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching, Martin Asplund, hatte eine neue Methode entwickelt, mit der man aus dem spektral zerlegten Sonnenlicht die Häufigkeiten der chemischen Elemente in unserem Tagesgestirn ermitteln kann.

Und die stimmen nicht mit dem Standardmodell überein. Nach Asplunds Analyse enthält die Sonne nämlich bis zu 30 Prozent weniger schwere Elemente als bislang angenommen. Das betrifft insbesondere Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Der Boden der Konvektionszone liegt in dem revidierten Modell zudem um etwa 10 Kilometer näher an der Oberfläche — ein Affront für die Helioseismologen.

Das hat erhebliche Konsequenzen. Denn die genaue Kenntnis der chemischen Zusammensetzung ist die Voraussetzung, wenn man zum Beispiel die Entwicklung eines Sterns vorhersagen will. Wo genau der Grund der Konvektionszone liegt, ist keine wissenschaftliche Kleinkrämerei. Denn dieser Bereich hat eine besondere Bedeutung. Die Sonnenoberfläche dreht sich nicht wie ein fester Körper: Ein Punkt am Äquator benötigt für eine komplette Runde um die Rotationsachse 25 Tage, in hohen Breiten dauert es bis zu 36 Tage.

Das war bereits durch Beobachtungen der Sonnenoberfläche bekannt. Die Strahlungszone im Innern hingegen rotiert nach heutigem Wissen wie ein starrer Körper mit einer Periode von etwa 27 Tagen. Das bedeutet: Beim Übergang von der Strahlungs- zur Konvektionszone findet ein starker Bruch in der Rotation der Sonnenmaterie statt.

In dieser Übergangszone — Tachocline genannt — vermuten die Sonnenforscher den Ursprung des Magnetfeldes. In der Tachocline herrschen Temperaturen um zwei Millionen Grad Celsius. Die Atome haben deswegen ihre Elektronen verloren. Das Gas ist ein elektrisch leitendes Plasma. Im Sonneninnern zirkulieren enorme elektrische Ströme mit einer Stärke von etwa Milliarden Ampere. Wie ein elektrischer Strom in einem Kupferdraht erzeugen die ständig in Bewegung befindlichen Plasmaströme um sich herum ein Magnetfeld — und zwar ein gewaltiges.

Dieses Feld ist aber an das strömende Plasma gebunden und wird von ihm in komplizierter Weise gedehnt und verzogen — wie Gummibänder in Honig, den man rührt. Durch die Rotation wird diese Linie um die Achse herumgezogen. Da sich die Materie in der Äquatorregion schneller bewegt als in mittleren und hohen Breiten, wird die Feldlinie im Äquatorbereich in die Länge gezogen und wickelt sich im Laufe von mehreren Umdrehungen regelrecht auf.

Solch ein Feldlinien-Bündel verdrängt das Plasma, sodass in seinem Innern die Dichte geringer ist als in der Umgebung. Nun tritt ein Naturgesetz in Kraft, das schon Archimedes entdeckt hat: der Auftrieb. Der Magnetschlauch treibt nach oben, bis er eine Schlaufe bildet und an zwei Stellen aus der Oberfläche austritt.

Das Modell der Feldlinien-Bündel erklärt, warum die Flecken meist paarweise auftreten und magnetisch unterschiedlich gepolt sind. Dass es sich hierbei keineswegs nur um graue Theorie handelt, zeigen Ultraviolett-Aufnahmen des amerikanischen Weltraumteleskops Trace. Diese Magnetfelder sind für die Aktivität unserer Sonne verantwortlich. Sonnenphysiker kennen heute unterschiedliche Arten von Eruptionen: Flares, Protuberanzen und sogenannte koronale Massenauswürfe.

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Die Ausbrüche treten vor allem in der nahen Umgebung von Sonnenflecken auf. Schon dies deutet auf die Wirkung von Magnetfeldern hin. Was die Felder während eines Ausbruchs für einen Tanz veranstalten, haben Aufnahmen des Weltraumteleskops Hinode in den letzten zwei Jahren deutlich vor Augen geführt. Es beobachtet die Sonne gleichzeitig im sichtbaren Licht sowie im UV- und Röntgenbereich.

Darüber hinaus können die Forscher mit Hinode auch Magnetfelder messen. All diese Informationen haben ein ziemlich genaues Bild von den Abläufen bei einem Flare ergeben. Bei einem sehr starken Flare bewegten sich am Dezember anfänglich zwei Sonnenflecken aufeinander zu und drehten sich dabei wie zwei Wirbelstürme um die eigene Achse. Als sie sich fast berührten, entlud sich zwischen ihnen ein Flare siehe Bild rechts.

Innerhalb weniger Minuten flammte er auf und setzte gewaltige Energien frei. Einen beeindruckenden Film dieses Ereignisses kann man auf der Hinode-Homepage sehen hinode. Die gleichzeitigen Messungen der Magnetfelder offenbarten, was sich in solchen Fällen abspielt. Die Magnetfeldlinien werden von dem sich bewegenden Sonnenplasma mitgezogen.

Dabei verdrillen sie sich und speichern immer mehr Energie — wie ein Gummiband, das man verdreht. Überschreitet die Spannung einen kritischen Wert, können sich Magnetfeldlinien mit gegensinniger Polung verbinden.

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Bei diesem magnetischen Kurzschluss verschwindet ein Teil des Magnetfeldes, und die darin gespeicherte Energie wird schlagartig frei. Beim Aufprall erzeugen sie die sichtbare Flare-Strahlung. Gleichzeitig rast vom magnetischen Kurzschluss aus ein Teil der Partikel mit hoher Geschwindigkeit von der Sonne fort. Diese Bögen sind die bekannten Protuberanzen, die man im Teleskop bisweilen am Sonnenrand oder als Filamente vor der Sonnenscheibe beobachten kann.

Sie sind zuweilen mehrere Monate lang stabil. Ist ein Flare besonders intensiv, bricht die magnetische Blase oben auf. Innerhalb eines Tages kann ein solcher Teilchensturm die Erde erreichen und deren Magnetfeld kräftig durchschütteln. Solche koronalen Massenauswürfe siehe Aufnahme linke Seite treten als Protuberanzen meist zusammen mit Flares auf. Dennoch sind Fragen offen.

So kommt es vor, dass sowohl Flares als auch koronale Massenauswürfe und Protuberanzen über einem aktiven Gebiet entstehen. Manchmal treten nur Flares und koronale Massenauswürfe auf. Über die Ursachen rätseln die Forscher noch. Und sie wissen auch nicht, auf welche Weise die Teilchen beim magnetischen Kurzschluss bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden.

Die Beobachtungen zeigen, dass bei einem Flare fast die gesamte Energie zunächst in die Teilchenbeschleunigung geht. Unklar ist auch, wann genau ein magnetischer Kurzschluss entsteht und was das Aufbrechen von Magnetfeldbögen bei koronalen Massenauswürfen auslöst. Für beide Phänomene gibt es bislang keinerlei Hinweis in astronomischen Beobachtungen.

Trotz all dieser Ungewissheiten ist das Phänomen Rekonnektion wohl die Lösung eines Rätsels, das die Sonnenforscher seit fast 70 Jahren umtreibt.

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Schon war es während einer Sonnenfinsternis erstmals gelungen, das Licht der Korona in seine Spektralfarben zu zerlegen. In den damaligen Spektren waren einige Signaturen aufgetaucht, die man keinem bis dahin bekannten chemischen Element zuordnen konnte. Insbesondere eine grüne Linie bereitete den Forschern Kopfzerbrechen.

Sie führten sie auf ein hypothetisches Element zurück, das sie Coronium tauften. Es blieb jedoch unauffindbar. Er hatte recht. Und doch ist es auf der Sonne so. Seit Langem sind die meisten Forscher überzeugt, dass die magnetischen Kurzschlüsse Energie in die Korona schleusen und sie dadurch erhitzen. Gleich drei Forschergruppen fanden Ende mit Hinode Hinweise auf solche Wellen.

Fest steht: Hauptverursacher sind die Magnetfelder. Auf absehbare Zeit werden die Forscher alle ihre Erkenntnisse über die Sonne aus Teleskopbeobachtungen gewinnen müssen.