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Plasmaströme wirken wie ein Förderband © APA (AFP/NASA)
Plasmaströme wirken wie ein Förderband © APA (AFP/NASA)

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Plasmaströme in der Sonne bestimmen den elfjährigen Sonnenzyklus

25.06.2020

Forschern ist es gelungen, das bisher umfassendste Bild der Nord-Süd-Plasmaströme in der Konvektionszone der Sonne zu zeichnen - und damit dem elfjährigen Sonnenzyklus weiter auf die Spur zu kommen. Das Plasma beschreibt in jeder Hemisphäre einen gewaltigen Umlauf, der etwa 22 Jahre dauert, wie das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen mitteilte.

Dies erkläre die elfjährige Dauer des Sonnenzyklus. Über ihre Erkenntnisse berichteten die Wissenschafter des MPS, der Universität Göttingen und der New York University Abu Dhabi nun in der Fachzeitschrift "Science". In ihrer aktuellen Studie betrachten die Forscher Schallwellen, die sich durch das Sonneninnere in Nord-Süd-Richtung ausbreiten.

Der etwa elfjährige Aktivitätszyklus der Sonne ist seit langem bekannt. Im Aktivitätsmaximum erscheinen große Sonnenflecken und aktive Regionen auf der Oberfläche der Sonne, wie das MPS weiter mitteilte. Beeindruckende Bögen aus heißem Plasma ragen bis weit in die Sonnenatmosphäre, Teilchen und Strahlung werden in heftigen Eruptionen ins All geschleudert.

Regelmäßigkeit im Schmetterlingsdiagramm

Im Aktivitätsminimum hingegen beruhigt sich die Sonne merklich. Eine weitere auffällige Regelmäßigkeit zeigt sich den Angaben zufolge im sogenannten Schmetterlingsdiagramm. Dieses beschreibt, in welchen solaren Breiten Sonnenflecken im Lauf des Sonnenzyklus auftreten. Zu Beginn des Zyklus überwiegen die mittleren Breiten, im weiteren Verlauf rücken die Entstehungsorte der Sonnenflecke immer näher an den Äquator heran.

"Im Lauf des Sonnenzyklus wirken die Plasmaströme in Nord-Süd-Richtung wie eine Art Förderband, das die Magnetfelder mitreißt und so die Dauer eines Zyklus bestimmt", erklärte Laurent Gizon, geschäftsführender Direktor des MPS und Erstautor der neuen Studie. "Die genaue Geometrie und Amplitude der Plasmabewegungen im Sonneninneren sichtbar zu machen, ist für das Verständnis des solaren Magnetfelds entscheidend."

Den Wissenschaftern zufolge sorgt die in Richtung Äquator verlaufende Strömung am Boden der Konvektionszone außerdem dafür, dass Sonnenflecken im Laufe des Sonnenzyklus zunehmend näher am Äquator entstehen.

Die Konvektionszone der Sonne reicht von der Oberfläche unseres Zentralgestirns bis in eine Tiefe von 200.000 Kilometern. Während die Beobachtung des Verlaufs von Plasmaströmen an der Sonnenoberfläche vergleichsweise einfach ist, stellen die Plasmabewegungen tief im Inneren der Konvektionszone eine Herausforderung dar.

Auswertung zweier langer Messreihen

Für die aktuelle Studie werteten die Forscher laut MPS erstmals zwei unabhängige, sehr lange Messreihen aus. Die eine stammt von "Soho", dem ältesten Sonnenobservatorium im Weltall, das die europäische Weltraumagentur ESA und die US-Weltraumbehörde NASA betreiben. Die Daten des entsprechenden "Soho"-Instruments erstrecken sich über die Zeit von 1996 bis 2011.

Ein zweiter unabhängiger Datensatz wurde vom Forschungsnetzwerk "Gong" (Global Oscillation Network Group) zur Verfügung gestellt, einem Verbund sechs bodengebundener Sonnenteleskope in den USA, Australien, Indien, Spanien und Chile. Gemeinsam haben die sechs Teleskope seit 1995 einen fast ununterbrochenen Blick auf die Sonne.

Mithilfe dieser Daten konnten Gizon und sein Team zeigen, dass die Plasmaströme am Boden der Konvektionszone mit einer Geschwindigkeit von 15 Kilometern pro Stunde - also etwa Laufgeschwindigkeit - zum Sonnenäquator fließen. An der Oberfläche strömt das Plasma in Richtung der Pole und erreicht Geschwindigkeiten von 50 Kilometern pro Stunde.

Insgesamt ergibt sich so, dass das Plasma in jeder Hemisphäre einen einzigen Umlauf beschreibt, wie das MPS weiter berichtete. Bemerkenswert ist, dass die Dauer eines solchen Umlaufs etwa 22 Jahre beträgt - und somit die physikalische Erklärung für den elfjährigen Sonnenzyklus liefert.

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