Der Südpol der Sonne, aufgenommen von Solar Orbiter im Jahr 2022. (ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI-Team) Etwas Seltsames passiert mit der Sonne.
Bislang ist es im Jahr 2022 fast jeden Tag zu Ausbrüchen und koronalen Massenauswürfen gekommen, einige davon auch die stärksten Eruptionen Unser Stern ist dazu fähig.
An sich ist eine ausbrechende Sonne nichts Ungewöhnliches. Es bricht regelmäßig aus, während es Perioden hoher und niedriger Aktivität durchläuft, in Zyklen, die etwa 11 Jahre dauern.
Die aktuelle Aktivität ist deutlich höher als die offizielle NASA- und NOAA-Vorhersagen für den aktuellen Sonnenzyklus, und die Sonnenaktivität hat die Vorhersagen bereits im September 2020 durchweg übertroffen. Aber ein Solarwissenschaftler wird Ihnen sagen, dass selbst das gar nicht so seltsam ist.
„Wir können Sonnenzyklen nicht zuverlässig vorhersagen“, sagte der Sonnenastrophysiker Michael Wheatland von der Universität Sydney, Australien, gegenüber Energyeffic.
„Wir verstehen den Sonnendynamo nicht vollständig, der die an der Oberfläche als Sonnenflecken sichtbaren Magnetfelder erzeugt und Fackeln erzeugt.“ Dies ist eines der herausragenden Probleme der Astrophysik; „Die Ungenauigkeit der Vorhersage ist nicht überraschend.“
Sicherlich nicht überraschend. Was aber, wenn genau dieser Mangel an Überraschungen – dass wir davon ausgehen, dass wir Sonnenzyklen schlecht vorhersagen können – bedeutet, dass wir unsere Herangehensweise völlig überdenken müssen? Was passiert, wenn wir unsere Vorhersagen auf der falschen Kennzahl basieren?
Von 11 bis 22 Jahren
Sonnenzyklen haben enorme Auswirkungen auf das Sonnensystem, werden jedoch relativ wenig verstanden. Wissenschaftler haben festgestellt, dass sie untrennbar mit dem Sonnenmagnetfeld verbunden zu sein scheinen, das sich in Windungen, Wirbeln und Schleifen über die Oberfläche unserer Sonne bewegt.
Ungefähr alle 11 Jahre wechseln die magnetischen Pole der Sonne: Nord wird Süd und umgekehrt. Dieser Wechsel fällt mit dem sogenannten Sonnenmaximum zusammen, das durch einen Höhepunkt der Sonnenflecken-, Flare- und koronalen Massenauswurfaktivität (CME) gekennzeichnet ist.
Bild der Sonne vom Oktober 2014, das zeigt, wie Sonnenflecken dazu neigen, in Bändern zu erscheinen. ( NASA/SDO )
Nach dieser Umkehr lässt die Aktivität nach, bevor sie wieder auf einen Höchststand zusteuert. Hier befinden wir uns jetzt – in der Eskalationsphase des aktuellen Zyklus, der 25., seit wir mit der Zählung begonnen haben.
Aktivitätszyklen werden anhand einer Metrik charakterisiert und vorhergesagt: der Anzahl der auf der Sonne sichtbaren Sonnenflecken. Hierbei handelt es sich um vorübergehende Regionen, in denen Magnetfelder besonders stark sind, was den Ausbruch von Flares und CMEs begünstigt. Sie erscheinen als dunkle Flecken, weil das Magnetfeld den Fluss von heißem Plasma hemmt und die Regionen dadurch kühler und dunkler sind als ihre Umgebung.
Laut dem Sonnenphysiker Scott McIntosh vom US-amerikanischen National Center for Atmospheric Research ist es ein Problem, Sonnenzyklen anhand der Anzahl der gezählten Sonnenflecken vorherzusagen.
„Der Sonnenfleckenzyklus ist nicht das Wichtigste. „Das ist zweitrangig“, sagte er zu Energyeffic. „Und die Art und Weise, wie der Kanon geschrieben ist, die Art und Weise, wie die Lehrbücher geschrieben sind, die Art und Weise, wie die Sonnenaktivität dargestellt wird, wird als das Primäre dargestellt.“
„Das Problem ist, dass dies wirklich nicht der Fall ist und der zugrunde liegende Hale-Zyklus, der 22-jährige magnetische Zyklus, der primäre ist.“ Und der Sonnenfleckenzyklus ist nur ein winziger Teilbereich dieses Gesamtbildes.“
Der Hale-Zyklus wurde im frühen 20. Jahrhundert vom US-Astronomen George Ellery Hale entdeckt. Es besteht aus zwei 11-jährigen Sonnenfleckenzyklen – der Zeit, die die Pole benötigen, um zweimal zu wechseln und dadurch in ihre ursprüngliche Position zurückzukehren.
Hale-Zyklen werden im Gegensatz zu den 11-Jahres-Zyklen bei einer Reihe von Phänomenen beobachtet. Dies sind die wechselnden magnetischen Polaritäten sowohl der Sonnenflecken als auch der magnetischen Pole der Sonne sowie die Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung auf der Erde.
Sonnenaktivität erschwert es der kosmischen Strahlung, die Erde zu erreichen, aber die ungeraden und geraden Sonnenzyklen weisen unterschiedliche Wellenformen der kosmischen Strahlung auf. Dies wurde dem zugeschrieben Polarität des solaren Magnetfeldes .
Sonnenflecken erklären
Es ist wichtig zu verstehen, dass wir keine wirkliche Vorstellung davon haben, was passiert innen Die Sonne. Es wird angenommen, dass das solare Magnetfeld von einem Dynamo im Inneren des Sterns erzeugt wird, einer rotierenden, konvektiven und elektrisch leitenden Flüssigkeit, die kinetische Energie in magnetische Energie umwandelt und so ein Magnetfeld in den Weltraum um die Sonne herum erzeugt.
Wenn ja, was verursacht Sonnenflecken? Nun, aktuellen Modellen zufolge hängen sie mit der Rotation der Sonne zusammen. Der Sonnenäquator rotiert schneller als die Pole . Wenn bei dieser Rotation gerade, in Längsrichtung verlaufende Magnetfeldlinien mitgezogen würden, würden sie gedehnt und schließlich verwickelt, wodurch vorübergehende, lokalisierte Bereiche starker Magnetfelder oder Sonnenflecken entstehen würden.
Laut McIntosh ist dies darauf zurückzuführen, dass das Magnetfeld passiv ist.
„In der Sonne gibt es ein sehr komplexes System.“ „Wie alle physikalischen Systeme nehmen wir Vereinfachungen oder Annäherungen vor, um zu verstehen, was vor sich geht“, erklärte er.
„Vor etwa 60 Jahren haben sie eine Annäherung an die Magnetfelder gemacht – dass diese im Vergleich zu den Flüssigkeiten auf der Sonne klein waren.“ Wenn also die Sonne zirkuliert, wie es unser Planet tut, treibt die Rotation die Zirkulation an, die Erwärmung der Atmosphäre treibt die Zirkulation an, und bei all dieser Zirkulation werden die Magnetfelder einfach mit der Zirkulation mitgerissen.“
Die Animationen, die diesen Effekt zeigen, stimmen sehr gut mit Beobachtungsdaten von Sonnenflecken überein, wobei die anfänglichen Magnetfelder bei etwa 30 Grad Breite auftreten. Aber laut McIntosh und seinen Kollegen liegt das daran, dass das Modell geschaffen wurde, um genau dies und nur dies zu erklären.
Und es gibt eine alternative Erklärung: Die Sonnenflecken sind ein Interferenzmuster, das durch die Magnetfelder überlappender Hale-Zyklen erzeugt wird.
McIntosh und Kollegen bemerkten erstmals im Jahr 2011 ein Muster in den Sonnenfleckendaten, eine Überschneidung der sogenannten Schmetterlingsdiagramme . Hierbei handelt es sich um Diagramme, die das Auftreten von Sonnenflecken nach Breitengrad im Zeitverlauf darstellen.
Animation, die zeigt, wie entgegengesetzt polarisierte Wellen, die sich als Sonnenflecken manifestieren, am Äquator enden, wenn eine neue Welle erscheint. (Scott McIntosh/NCAR)
Nachdem sie dies entdeckt hatten, suchten und durchforsteten die Forscher so viele historische Sonnenfleckendaten, wie sie in die Finger bekommen konnten. bis in die 1860er Jahre zurück .
Sie stellten fest, dass diese Überschneidung weiterhin auftrat. Gegen Ende eines Sonnenfleckenzyklus, wenn die Sonnenflecken immer näher am Äquator erscheinen, kann das Auftreten der Sonnenflecken des nächsten Zyklus in den mittleren Breiten beobachtet werden.
Die Forscher fanden heraus, dass dies ein Hinweis darauf ist, dass entgegengesetzt polarisierte Bänder magnetischer Aktivität in Zyklen über die Sonne wandern; Sie wären für den Sonnenfleckenzyklus verantwortlich, aber nicht von ihm angetrieben. Darüber hinaus können die Zyklen interagieren; Wenn sich zwei Zyklen entgegengesetzter Polarität überlappen, stören sie sich gegenseitig.
Dies hat zur Folge, dass die magnetischen Systeme sich gegenseitig die Entstehung von Sonnenflecken hemmen und es zu einer Zeit minimaler Sonnenfleckenaktivität kommt.
„Der Sonnenfleckenzyklus ist ein Ergebnis der Wechselwirkung zwischen diesen größeren magnetischen Zyklen“, sagte McIntosh gegenüber Energyeffic. „Mit anderen Worten, es ist wie ein Interferenzmuster.“ Die Magnetfelder wollen sich ständig gegenseitig aufheben.'
Mehr Daten, immer mehr Daten
Basierend auf den Erkenntnissen des „Interferenzmusters“ sind McIntosh und sein Team zu Vorhersagen über den aktuellen Sonnenzyklus gelangt, die eher mit aktuellen Beobachtungen übereinstimmen als mit offiziellen Vorhersagen, die auf Sonnenfleckenzählungen basieren.
Vorhersagen des Sonnenzyklus, aufgetragen gegen Beobachtungen. (C. Möstl, helioforecast.space/solarcycle)
Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch alles theoretisch.
Wir wissen beispielsweise immer noch nicht, was die magnetischen Aktivitätsbänder auf der Sonne antreibt; Die Forscher gehen davon aus, dass es sich um Gravitationswellen handeln könnte, aber wir haben zum jetzigen Zeitpunkt nicht genügend Informationen, um das sagen zu können.
„Scott McIntoshs Ideen sind interessant, und die Mcintosh/Leamon-Prognose [das ist Robert Leamon vom Goddard Planetary Heliophysics Institute der University of Maryland] für Zyklus 25 liegt näher als die offizielle zum jetzigen Zeitpunkt. Es basiert jedoch nicht auf einem physikalischen Modell. „Ich bezweifle, dass es eine größere Vorhersagekraft hat als die anderen beobachtungsbasierten Vorhersageansätze“, sagte Wheatland gegenüber Energyeffic.
Um mehr zu erfahren, benötigen wir mehr Daten, deren Erfassung einige Zeit in Anspruch nehmen wird. Laut McIntosh bedeutet dies, einen Blick auf die hohen Breiten der Sonne in der Nähe der Pole zu werfen, während sich ein neuer Zyklus bildet.
Normalerweise sehen wir die Sonnenpole nicht, da die Erde den Sonnenäquator umkreist. Aber der Solar Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation wird genau zu dem Zeitpunkt herüberfliegen, an dem ein neuer Zyklus beginnt.
McIntosh glaubt, dass die Tatsache, dass die Vorhersage seines Teams näher an der Entwicklung des 25. Sonnenzyklus liegt, etwas damit zu tun hat. Zumindest verdienen die Ideen des Teams eine genauere Betrachtung und eine ernsthafte Untersuchung.
„Seit etwa zehn Jahren sind wir ziemlich genau richtig, aber es verbreitet sich nicht in der wissenschaftlichen Gemeinschaft“, sagte er.
„Dieser Sonnenzyklus bot eine Chance.“ Da unsere Vorhersage so diametral entgegengesetzt zu dem war, was das Konsensgremium zeigte, bedeutet das, dass wir, wenn wir am Ende nahe dran sind, wirklich einen zweiten Blick darauf werfen müssen, wie Sterne Magnetfelder erzeugen.
„Vielleicht liegt es eher an der Art und Weise, wie wir es sehen, als an der alten Vorgehensweise.“ Und es könnte ein Hybrid sein, eine Mischung aus beidem. Das ist es wahrscheinlich.‘
Die neueste Arbeit seines Teams über die Sonnenzyklen wurde in veröffentlicht Grenzen in der Astronomie und den Weltraumwissenschaften .