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Dr. Birgit Krummheuer
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Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen

Der Hexenkessel im Sonnenofen

Der Hexenkessel im Sonnenofen

Plasmen sind im Planetensystem allgegenwärtig. Die Sonne selbst besteht ausschließlich aus Gas in diesem exotischen Aggregatzustand und auch seine Umgebung flutet unser Tagesgestirn beständig mit Strömen geladener Teilchen: dem Sonnenwind. Am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung studieren Physiker in der Abteilung von Sami K. Solanki, wie die komplizierte Plasmamaschine namens Sonne arbeitet.
Die brodelnde Sonne – hier im ultravioletten Licht – gibt nicht nur elektromagnetische Strahlung ab. Sie schleudert auch geladene Teilchen als Sonnenwind in den Raum. Bild vergrößern
Die brodelnde Sonne – hier im ultravioletten Licht – gibt nicht nur elektromagnetische Strahlung ab. Sie schleudert auch geladene Teilchen als Sonnenwind in den Raum. [weniger]

TEXT THORSTEN DAMBECK

Die Tage kurz vor Halloween waren die letzten für ADEOS II. Den nagelneuen japanischen Erdbeobachtungs-Satelliten traf ein Unheil, von dem er sich nicht mehr erholte: Seine Stromversorgung brach weitgehend zusammen und das 630-Millionen-Dollar-Projekt musste aufgegeben werden. Die Ursache des Desasters, so ergab eine Analyse, lag nicht in Japan oder sonst wo auf der Erde, sondern war wohl extraterrestrischer Natur: Garstiges Weltraumwetter im Herbst 2003 war ADEOS II zum Verhängnis geworden.

Nicht nur Raumfahrzeuge sind betroffen. Irdische Infrastruktur, von der Stromversorgung bis hin zum Flugverkehr, kann ebenfalls durch die Unbill aus dem All lahmgelegt werden. Rückversicherer beziffern die Gesamtschäden einzelner Weltraumstürme auf bis zu eine Milliarde US-Dollar.

Der „Halloween-Sturm“ war der schwerste dieser Art in der vergangenen Dekade. Ausgangspunkt für solche Phänomene ist die Sonne, oder genauer: der Sonnenwind. Das ist ein kontinuierlicher Plasmastrom, der von unserem Tagesgestirn permanent ausgesandt wird und mit einer Geschwindigkeit zwischen 400 und 800 Kilometern pro Sekunde durch den Raum weht. Auf der Erde schützt uns normalerweise das Magnetfeld, der Sonnenwind frischt jedoch bisweilen auf. Diese böige Variante bläst mit Geschwindigkeiten, die mehrfach über denen des regulären Sonnenwinds liegen.

Erreicht ein solcher Sturm die Erde, so fluten elektrisch geladene Teilchenschauer die Ionosphäre. Diese Atmosphärenschicht beginnt rund 80 Kilometer über der Oberfläche und erstreckt sich bis in einige hundert Kilometer Höhe. Dort gibt es immer Ionen und freie Elektronen. Der überfallartige Eintrag von Elektrizität bei einem Sonnensturm wirkt durch Induktionsvorgänge bis zum Erdboden: Hochspannungsnetze brechen zusammen wie Kartenhäuser – so geschehen in Kanada im Jahr 1989.

„Ungewitter“ lassen Polarlichter leuchten

Stets vom Tagesgestirn weggerichtet ist der Plasmaschweif eines Kometen, der einer Fahne im Sonnenwind gleicht. Das demonstriert eindrucksvoll diese Aufnahme des Kometen McNaught am 20. Januar 2007. Bild vergrößern
Stets vom Tagesgestirn weggerichtet ist der Plasmaschweif eines Kometen, der einer Fahne im Sonnenwind gleicht. Das demonstriert eindrucksvoll diese Aufnahme des Kometen McNaught am 20. Januar 2007. [weniger]

Erst das technische Zeitalter lässt die Kapriolen des Weltraumwetters offensichtlich werden, doch Vermutungen über die Existenz solarer Teilchenströmungen reichen zurück bis ins 19. Jahrhundert. So etwa 1859: Britische Astronomen werden mit ihren Teleskopen Zeugen ungewöhnlicher Leuchterscheinungen auf der Sonne. Die hellen Lichtblitze, die im Abstand einiger Minuten aufzucken, kommen aus der Nähe einer großen Sonnenfleckenzone. Rund 18 Stunden später verzeichnen Chronisten auf der Erde ein „magnetisches Ungewitter“. Telegrafenverbindungen werden gestört und verbreitet Polarlichter gesichtet – so hell, dass nachts noch Gedrucktes zu entziffern ist, notierte die NEW YORK TIMES. Obwohl damals Forscher vereinzelt Verbindungen zu den Vorgängen auf der Sonne ziehen, bleibt der Zusammenhang unbewiesen. Knapp hundert Jahre später dann gibt es neue Indizien aus der Beobachtung von Kometen: Ihre Schweife zeigen immer von der Sonne weg. Der Physiker Ludwig Biermann (1907 bis 1986), langjähriger Direktor am Garchinger Max-Planck-Institut für Physik und Astrophysik, postuliert die Existenz einer solaren Teilchenstrahlung, welche die Kometenpartikel forttrage. Ende der 1950er-Jahre ist auch der US-Astrophysiker Eugene Parker überzeugt, dass von der Atmosphäre der Sonne ein geladener solar wind ausgeht, und prägt damit den heute gebräuchlichen Begriff. Vom Erdboden unmessbar, blieb der direkte Nachweis den ersten Raumsonden vorbehalten: Zuerst erfolgreich war 1958 das sowjetische Vehikel Lunik 1, drei Jahre später erfolgte die Bestätigung durch die NASA Sonde Mariner 2. Heute wissen wir, dass der Sonnenwind ein sehr dünnes Plasma ist und hauptsächlich aus den Bestandteilen des Wasserstoffs besteht: Protonen und Elektronen. Hinzu kommen zwei bis vier Prozent zweifach positiv geladenes Helium (Alphateilchen) und geringere Mengen von Ionen schwerer Elemente, etwa Eisen. Sonnenphysiker, die Daten der deutschamerikanischen Weltraumsonden Helios1 und 2 auswerteten, erkannten erstmals zwei Grundtypen: den langsamen Sonnenwind, er strömt mit rund 400 Kilometern pro Sekunde, und den schnellen Sonnenwind, der typischerweise 800 Kilometer pro Sekunde zurücklegt. Nach irdischen Maßstäben sind beide Varianten rasend schnell: Sie erreichen das zehntausendfache Tempo hiesiger Orkane. Auch wenn es paradox klingt: Die Quelle des Sonnenwinds ist bei einer totalen Sonnenfinsternis zu sehen. „Wer je die Gelegenheit hat, ein solches Naturschauspiel zu beobachten, sollte sie nutzen“, sagt Eckart Marsch vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS). Noch heute schwärmt der Plasmaphysiker von einer MPS Sonnenphysikschule im Jahr 2006 in der Türkei. Der Tagungsort war gut gewählt: Damals war bei wolkenlosem Himmel minutenlang das schwache Leuchten der äußeren Sonnenatmosphäre, der sogenannten Korona, zu beobachten. Für den Sonnenwind-Experten ein besonderes Ereignis: Erstmals konnte er selbst mit bloßem Auge den Ausgangspunkt seines Forschungsobjekts in Augenschein nehmen. Denn der Sonnenwind stammt aus der Korona, die sich mehrere Sonnenradien ins Weltall erstreckt.

Welche Mechanismen dort den Sonnenwind erzeugen, ist auch nach fast fünf Jahrzehnten Forschung mit Raumsonden immer noch nicht vollständig klar. „Im weitesten Sinne ist der Sonnenwind eine Folge der magnetischen Aktivität der Sonne. Wenn diese ruhig wäre, gäbe es wahrscheinlich keinen Sonnenwind“, sagt Eckart Marsch. Das solare Magnetfeld fungiert also quasi als Windmaschine. Wichtige Grundfragen sind jedoch bislang unbeantwortet: Was genau schiebt den Sonnenwind an? Woher nimmt er also seine Energie, um das gewaltige Anziehungsfeld des Sterns zu überwinden und so schnell zu strömen, dass er die große Entfernung zur Erde in nur wenigen Tagen durchmessen kann?

Ein langsamer Wind aus hellen Regionen

Immerhin kennen die Wissenschaftler einige Quellregionen des mysteriösen Winds. „Da sind beispielsweise die sogenannten großen koronalen Löcher, sie spielen für den schnellen Wind eine wichtige Rolle“, erklärt Eckart Marsch. In ultravioletten (UV) Aufnahmen von Weltraumsonden erscheinen diese Gebiete dunkel, da sich dort kaum Plasma halten kann. Das Magnetfeld ist offen, das heißt, die Feldlinien reichen weit ins Weltall. Aus den koronalen Löchern expandiert das Plasma folglich ungehindert in den Weltraum – als Sonnenwind. Typischerweise zeigen die UV-Bilder der Sonne auch sehr helle Regionen – von dort weht uns ebenfalls Sonnenwind entgegen. „Im Magnetfeld entsprechen diese hellen Gebiete geschlossenen Bereichen, sie schließen dichtes Plasma ein“, sagt Max-Planck-Forscher Marsch. Wahrscheinlich kommt aus diesen hellen Gebieten der langsame Sonnenwind. Nach dem genauen Mechanismus, wie sich der langsame Wind der magnetischen Umklammerung entwindet, suchen Marsch und seine Kollegen noch. Bekanntlich ist unsere Sonne ein dynamischer Stern, ihre Aktivität folgt etwa einem Elfjahreszyklus. Als auffälligstes Zeichen ändert sich die Zahl der Sonnenflecken mit dieser Periode. Momentan ist die Aktivität gering – die Sonne befindet sich im Minimum. Im Maximum zeigt sie nicht nur deutlich mehr und größere Flecken, die Korona selbst und damit die Quellorte des solaren Winds werden ebenfalls von dem Zyklus beeinflusst.

 
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