Polarwirbel sind ein für Planetenatmosphären typisches Phänomen: Die Rotation der Planeten erzeugt eine Corioliskraft, die die vorherrschenden Luftströmungen auch in polaren Regionen prägt. Auf der Erde bildet sich dadurch sowohl um den Nord- als auch den Südpol ein Ring starker Winde. Diese Polarwirbel schließen die kalte Luft an den Polen ein und beeinflussen je nach Stabilität und Durchlässigkeit das regionale Wetter bis in gemäßigte Breiten hinein, aber auch den Ozonabbau über den Polen. Auch auf anderen Planeten im Sonnensystem gibt es solche Polarwirbel. Besonders spektakulär sind sie auf den von rasenden Stürmen geprägten großen Gasplaneten Jupiter und Saturn. So bilden sich auf dem Jupiter gleich mehrere dicht gepackte Wirbelstürme über den Polen – acht über dem Nordpol und fünf am Südpol. Auf dem Saturn entsteht durch die Luftströmungen ein sechseckig geformtes Strömungsband am Nordpol, der Südpolwirbel ist dagegen kreisförmig. Diese Unterschiede geben Planetenforschern Hinweise auf den Aufbau und die Dynamik der Atmosphäre dieser Planeten.
Wie sehen die polaren Wirbel der Sonne aus?
Die Sonne ist jedoch ein Sonderfall: Zwar rotiert auch sie und ist daher ähnlichen Kräften ausgesetzt. Aber anders als bei den Atmosphären von Planeten oder Monden ist ihr solares Plasma magnetisch. “Daher wird erwartet, dass diese Magnetfelder die Existenz oder Nichtexistenz, das Aussehen und auch die Entwicklung der polaren Vortices auf der Sonne beeinflussen”, erklären Mausumi Dikpati vom National Center for Atmospheric Research in Colorado und ihre Kollegen. Hinzu kommt, dass sich die solaren Magnetfelder im Verlauf des elfjährigen Sonnenzyklus verändern: Bei jedem Maximum des Sonnenzyklus polt sich das Magnetfeld um, so dass jeweils 22 Jahre zwischen zwei Maxima gleicher Polung liegen. Parallel dazu bewegen sich Strömungen stark magnetisierten Plasmas im Laufe des Zyklus allmählich polwärts. Das größte Problem der Sonnenforschung sind jedoch fehlende Beobachtungsdaten: Die Erde und alle anderen Planeten umkreisen die Sonne auf Höhe ihres Äquators. Daher sehen wir unseren Stern immer nur von der Seite. Und auch die Sonnenbeobachtungs-Observatorien im All bleiben in der Planetenebene. Wie die Pole der Sonne aussehen, konnte daher noch keine Sonnensonde genauer erforschen.
Deshalb haben nun Dikpati und ihr Team das Geschehen an den solaren Polen mithilfe von magnetohydrodynamischen Simulationen untersucht. Ausgehend von physikalischen Gesetzmäßigkeiten rekonstruierten sie, wie sich die Plasmaströmungen mit und ohne Magnetfeld im Laufe eines Sonnenzyklus verhalten müssten. Die Simulationen ergaben: Auch die Sonne bildet Polarwirbel. Das komplexe Muster dieser magnetischen Plasmavortices ähnelt dabei eher dem auf dem Gasplaneten Jupiter als der einfachen Ringströmung auf der Erde. “Unser Hauptergebnis ist, dass sich im Laufe des Sonnenfleckenzyklus ein Ring aus Wirbeln bildet”, berichtet das Team. Dieser Wirbelring aus gegenläufig rotierenden Strömungen entsteht etwa auf 55 Grad solarer Breite und bewegt sich dann immer weiter polwärts. “Der Ring schrumpft dabei und verliert während seiner Bewegung Wirbel, bis schließlich nur noch ein Wirbelpaar sehr nahe am Pol übrigbleibt”, schreiben Dikpati und ihr Team. Als Triebkraft für diese polare Konzentration identifizierten sie die Rossby-Wellen im Sonnenplasma, großräumige wellenförmige Strömungen, die durch die Interaktion der Sonnenrotation mit dem Plasma entstehen.
