Rätsel des Sonnenzyklus gelöst

Mit steigender Aktivität der Sonne wird der Sonnenwind kräftiger und damit auch das interplanetare Magnetfeld. Es schirmt die Erde zusätzlich zum Erdmagnetfeld gegen die Teilchen der Kosmischen Strahlung aus dem interstellaren Raum ab. Bei einer größeren Sonnenaktivität ist das interplanetare Magnetfeld stärker ausgeprägt und deshalb entsteht dann weniger Kohlenstoff-14.

Brehm und sein Team maßen in den präzise datierten Baumringen den C14-Gehalt. Mit der bekannten Halbwertszeit dieses Isotops von etwa 5700 Jahren konnten sie auf den C14-Gehalt schließen, wie er zum Zeitpunkt der Bildung der Jahresringe in der Erdatmosphäre bestand.

Starke Schwankungen

Solche Messungen wurden bereits in den 1980er- und 90er-Jahren gemacht, jedoch mit einer aufwendigen und wenig effektiven Methode. Brehm und seine Kollegen nutzten für Ihre Untersuchung ein Beschleuniger-Massenspektrometer, mit dem sich jedes Atom und dessen Masse bestimmen lässt. Eine so große Empfindlichkeit ist nötig, denn im Schnitt befindet sich unter einer Billion Atomen nur ein einziges C14-Atom. „Auf diese Weise konnten wir mit einer nur ein Tausendstel so großen Jahresringprobe wie früher den C14-Gehalt auf etwa ein Promille genau ermitteln“, sagt Brehm.

Nach einem Jahr lag die Langzeitanalyse vor. Als Erstes fällt auf, dass der bekannte Schwabe-Zyklus im letzten Jahrtausend nachzuweisen ist. In seiner Länge schwankte er geringfügig um ein Mittel von 10,4 Jahren mit einer Unsicherheit von 8 bis 14 Jahren. Ein Trend für eine Ab- oder Zunahme der Zykluslänge über die Jahrhunderte hinweg ist nicht erkennbar.

Auffällig sind indes Intensitätsvariationen. Länger andauernde Phasen geringer und starker Aktivität wechseln sich ab, wobei einige der Minima bereits gut bekannt sind – etwa die Maunder- und Spörer-Minima, die mit der Kleinen Eiszeit im 16. und 17. Jahrhundert in Verbindung gebracht werden. Aktivitätszyklen mit größeren Perioden, wie der prognostizierte Gleißberg-Zyklus mit etwa 85 oder der Suess-Zyklus mit 200 Jahren, ließen sich nicht nachweisen, können aber nach wie vor auch nicht ausgeschlossen werden.

Eindrucksvoll ist die Entdeckung von sogenannten Solar Energetic Particle-Ereignissen (SEP). Dabei entfacht die Sonne einen regelrechten Sturm aus besonders hochenergetischen Teilchen, die beim Aufprall auf das Erdmagnetfeld am Boden derart hohe Induktionsströme auslösen können, dass die Stromversorgung zusammenbrechen und eine ganze Region in einen Blackout versetzt werden kann – so geschehen etwa am 13. März 1989 in Kanada. Das bislang stärkste bekannte Ereignis dieser Art aus dem Jahr 1859 wurde nach dem Sonnenforscher Richard Christopher Carrington benannt.

„Doch das Carrington-Ereignis wird von zwei Ereignissen in den Jahren 774 und 993 noch in den Schatten gestellt“, kommentiert Mads Faurschou Knudsen von der Universität Aarhus in Dänemark die neuen Ergebnisse der Baumringe. Außerdem finden sich in den Daten Hinweise auf zwei weitere SEP-Ereignisse in den Jahren 1052 und 1279. „Das könnte darauf hindeuten, dass solche heftigen Explosionen auf der Sonne häufiger vorkommen als bisher angenommen“, ergänzt Nicolas Brehm. „Laut unseren Daten hat aber wahrscheinlich kein derartiges Ereignis in den letzten 700 Jahren stattgefunden.“

Die neue Datenreihe könnte die ebenso leidenschaftlich wie kontrovers geführte Debatte über einen möglichen Einfluss der Sonnenaktivität auf das Erdklima neu befeuern. Eine geplante Ausdehnung der Messungen auf die letzten 14.000 Jahre, für die Baumring-Archive existieren, würde die Datenbasis noch einmal enorm erweitern.

Anatomie des Sonneninneren

„Die neuen Ergebnisse könnten auch helfen, Modelle des Sonnendynamos zu überprüfen, der das Magnetfeld der Sonne steuert“, hofft Knudsen. Wenn man dem Sonnendynamo, also dem Motor der Aktivität, auf die Spur kommen will, muss man allerdings tief in den heißen Gasball hineinhorchen.

Bis in eine Tiefe von etwa 200.000 Kilometern ist die Sonne konvektiv, wie Physiker sagen. Unablässig steigen heiße Gasmassen zur Oberfläche, kühlen ab und versinken wieder. Dieses Auf und Ab lässt sich ganz ähnlich in einem Kochtopf beobachten. Dabei entsteht ein Granulation genanntes Muster aus deutlich abgegrenzten Zellen, die man auf der Sonnenoberfläche als Granulen beobachtet.

Unterhalb von dieser Konvektionsschale, also in dem kugelförmigen Bereich bis zum Zentrum, findet keine solche Gasbewegung statt. Am Boden der Konvektionszone, Tachokline genannt, herrscht eine Temperatur um zwei Millionen Grad. Die Atome haben bei dieser gewaltigen Hitze ihre Elektronen verloren, das Gas ist zu einem elektrisch leitenden Plasma geworden. So wie ein elektrischer Strom in einem Kupferdraht erzeugen die ständig in Bewegung befindlichen Plasmaströme ein Magnetfeld.

Komplizierter Sonnendynamo

Dieser Vorgang ist ähnlich wie im Erdinneren, weswegen auch die Sonne ein Dipolfeld ausbildet. Doch anders als bei unserem Planeten ändert sich das Magnetfeld in der Sonne ständig. Das liegt an der Rotation der Sonne, die eine starke Corioliskraft zur Folge hat, und am Magnetfeld, das auf die Gasbewegung zurückwirkt. Eine Folge davon ist, dass sich die Sonnenoberfläche nicht wie ein fester Körper dreht. Ein Punkt am Äquator benötigt für eine komplette Runde 25 Tage, in hohen Breiten dauert es bis zu 36 Tage.

Das Magnetfeld ist an das elektrisch geladene, strömende Plasma gebunden und wird von ihm in komplizierter Weise gedehnt und verzogen – vergleichbar mit Gummibändern in Honig, den man umrührt. Eine ursprünglich von Süd nach Nord verlaufende Magnetfeldlinie wird in Rotationsrichtung mitgeschleppt. 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 Lauf der Zeit regelrecht auf. Dadurch entstehen Bündel von eng beieinander liegenden Magnetfeldlinien. Dieses Feldlinienbündel verdrängt das Plasma, sodass in seinem Innern die Dichte geringer ist als in der Umgebung.

Und nun tritt ein Naturgesetz in Kraft, das schon Archimedes entdeckt hat: der Auftrieb. Der Magnetschlauch treibt nach oben, bis er aus der Oberfläche austritt und eine Schlaufe bildet. An den beiden Durchstoßpunkten entstehen die Sonnenflecken. Die Magnetfeldlinien verlaufen ungefähr parallel zum Äquator.

Die Zeit zwischen zwei Sonnenfleckenmaxima beträgt knapp elf Jahre, danach kehrt sich die Polung der Fleckenpaare um, sodass sie nach jeweils 22 Jahren wieder die ursprüngliche Magnetausrichtung aufweisen. Was verursacht diesen regelmäßigen Rhythmus?

„Im Aktivitätsminimum ist das Dipolfeld am stärksten“, sagt Robert Cameron vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen. „Im Lauf der Zeit wird das durch die Rotation entstehende, parallel zum Äquator verlaufende ringförmige Feld stärker, indem es Energie vom Dipolfeld abzweigt.“ Dieses Dipolfeld wird dadurch immer schwächer.

Nach fünf bis sechs Jahren erreicht das ringförmige Feld sein Maximum, Sonnenflecken entstehen in großer Zahl. Danach kehrt sich der Vorgang um. Das ringförmige Feld wird wieder schwächer und gibt seine Energie an das wachsende Dipolfeld ab. Das hat währenddessen seine Polung geändert: Der ehemalige Nordpol ist zum Südpol geworden und umgekehrt.

Verborgene Umwälzungen

Warum dieses Wechselspiel gerade 21 bis 22 Jahre dauert, lässt sich durch ein weiteres, seit Langem bekanntes Phänomen erklären. Zu Beginn eines neuen Aktivitätszyklus treten die Sonnenflecken überwiegend in mittleren Breiten auf. Im weiteren Verlauf rücken die Entstehungsorte immer näher an den Äquator heran. Dieses Verhalten wird durch das sogenannte Schmetterlingsdiagramm veranschaulicht.

Als Ursache der Wanderbewegung vermuten Forscher schon lange eine langsame oberflächennahe Strömung des Sonnenplasmas in Richtung der Längengrade. Vor 30 Jahren mutmaßten Yi-Ming Wang, Neil Sheeley und Ana Nash vom Naval Research Laboratory, Washington D.C., dass es zudem eine Gegenströmung tief im Inneren der Sonne gibt. Sie sei der Haupttreiber der Wanderung in Richtung Äquator und der mit dem Sonnenfleckenzyklus verbundenen Periode. Es sollte daher auf jeder Hemisphäre eine riesige Zirkulationszelle mit einer Umwälzperiode von 22 Jahren existieren. Genau das hat jetzt eine Forschergruppe um Laurent Gizon und Robert Cameron vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen nachgewiesen, und zwar mit der Methode der Helioseismologie.

Forscher belauschen die Sonne

Die durch Konvektion auf- und absteigenden Gasströme erzeugen Schallwellen – wie siedendes Wasser im Kochtopf. Sie durchlaufen den Körper und bringen ihn zum Schwingen. Man kann sich ihre pulsierende Bewegung wie das Wabern eines mit Wasser gefüllten Ballons vorstellen.

Die Sonne pulsiert mit einer Periode von etwa fünf Minuten. Dabei heben und senken sich Bereiche der Oberfläche um wenige Kilometer mit Geschwindigkeiten bis zu 1800 Kilometern pro Stunde. Das ist jedoch nur eine Schwingung von Millionen weiteren Obertönen. Dieses Vibrieren, das sich seismisch messen lässt, gibt Aufschluss über die Zustände im Inneren der Sonne, wobei Strömungen das Schwingungsmuster verändern.

Für ihre neue Analyse nutzten die Göttinger Forscher Messdaten des im Dezember 1995 gestarteten europäischen Weltraum-Sonnenteleskops SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) und eines globalen Verbunds aus sechs bodengebundenen Sonnenteleskopen namens GONG (Global Oscillation Network Group). Damit ließ sich der Zeitraum der letzten 25 Jahre abdecken. Mithilfe mathematischer Modelle und Computersimulationen untersuchten die Forscher, wie sich die Sonnenschwingungen durch Plasmaströme in Nord-Süd-Richtung verändern. Und aus diesen winzigen Störungen rekonstruierten sie die inneren Plasmaströme.

Alles passt zusammen

Das Ergebnis ist verblüffend: „Am Boden der Konvektionszone strömt das Plasma mit einer Geschwindigkeit von bis zu vier Metern pro Sekunde zum Äquator, an der Oberfläche bewegt es sich in Richtung der Pole“, sagt Gizon. Das Plasma wird also in jeder Hemisphäre gewaltig umgewälzt. Bemerkenswert ist vor allem die Dauer: 22 Jahre. Und da die meisten Theorien des Sonnenzyklus von einer Entstehung der Sonnenflecken am Boden der Konvektionszone ausgehen, passt auch der Drehsinn der Strömung. Damit ist das Geheimnis des knapp elfjährigen Sonnenzyklus 180 Jahre nach seiner Entdeckung weitgehend gelöst.

„Wir haben zwar immer noch kein Computermodell, das das gesamte Sonneninnere mit allen beobachteten Eigenschaften konsistent erklären kann, aber die grundlegenden Wirkmechanismen zwischen Rotation, Plasmabewegung und Magnetfeld dürften wir verstanden haben“, resümiert Cameron den Durchbruch in der Sonnenforschung.

Er und seine Kollegen warten nun auf Beobachtungsdaten des neuen Weltraumteleskops Solar Orbiter. Es soll erstmals zuverlässige Daten von den Polregionen liefern, die von der Erde aus nicht einsehbar sind. Dann wird es möglich sein, dort Gasströmungen in der oberen Atmosphärenschicht und die Schwingungen des Sonnenkörpers zu verfolgen. Beides wird die Sonnenmodelle erheblich verbessern.