4. Sonne und Sonne-Erde Beziehung

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1 4. Sonne und Sonne-Erde Beziehung 4.1 Die Sonne Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 1

2 4.1.1 Sonnen-Schichten: Übersicht d = km d Jupiter km d Erde km Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 2

3 4.1.2 Die Sonne in Zahlen Masse = kg ( = 1 M ) Effektive Temperatur = 5772 K (G2 V) Temperatur im Kern= K Oberflächen-Gravitations-Beschleunigung g = 274 m/s 2 Alter = Jahre (von Meteoriten Isotopen) Radius = km, ca. 700 Mm Distanz = 1 AU = km ca. 150 Mio km Rotationsperiode = 27 Tage (Carrington Rotation) Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 3

4 4.1.3 Die Solar-Konstante Die seit 1979 gemessene über alle Wellenlänge integrierte Einstrahlung bei Erddistanz (ausserhalb der Atmosphäre) von der Sonne, die sogenannte Totale Sonneneinstrahlung, relativ zu 1361 W/m 2. Die farbigen Bereiche zeigen die Unsicherheiten des jeweiligen Instrumentes. Die Einstrahlung variiert um in Phase mit der Sonnenaktivität Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 4

5 4.1.4 Sonnenoberfläche Ruhige Sonne: Oberflächen- Temperatur +- ca. 150 K um die effektive Temperatur, d.h K Granulen = Konvektionszellen = Ende der Aufwärtsbewegung in der Zelle mehr oder weniger wagrechte Strömung - Absinkende Bereiche zwischen den Zellen. Typische Grösse 700 km. Lebensdauer ca. 15 min. Sonne ist kein Festkörper, sondern ist ein Gasball (Plasma) Keine scharfe Oberfläche Die Oberfläche als die Region definiert, bei der das Licht entweicht Üblicherweise wird τ = 1 bei λ=5000 Å (=500 nm) als Sonnenoberfläche definiert (andere Definitionen kommen auch vor) Optische Tiefe ist wellenlängenabhängig Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 5

6 4.1.5 Temperatur-Struktur der Sonnen Atmosphäre (nicht-aktive Sonne) Hier ist die Höhe h der innere Rand der Modellatmosphäre. Die Photosphäre ist bei ca. 50 km in dieser Graphik. Die Chromosphäre ist die Region mit einem flachen Temperaturverlauf von ca K. Die bezeichneten Spektral-Linien werden im angegebnen Höhenbereich in der Atmosphäre geformt Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 6

7 4.1.6 Sonnenflecken Umbra ca K Penumbra ca K Ruhige Sonne 5770 K Flecken (Mini Version: Poren): Typische Grösse km (Poren 1000 km). Lebensdauer Tage bis typisch knapp einen Monat; grosse Gruppen auch länger. Magnetfeldstärke in den Flecken typisch 2-3 kgauss Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 7

8 4.1.7 Fackeln Helle Gebiete (= wärmer als ruhige Sonne) in der Photosphäre: Fackeln. Gebiete mit höherer Magnetfeld Konzentration; typisch 400 Gauss. Helle Gebiete (= wärmer als ruhige Sonne) in der Chromospäre: Plages. Lebensdauer wie Sonnenflecken, Tage bis typisch ein Monat; grosse Gebiete auch länger Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 8

9 4.1.8 Sonnenrotation Während die äußeren Bereiche der Sonne mit 25 Tagen am Äquator und 36 Tagen an den Polen um die Sonnenachse rotieren, rotiert das Sonneninnere wie ein starrer Körper mit einer Rotationsperiode von etwas weniger als 27 Tagen. Die Tachocline ist der Übergang von der starren zur differenziellen Rotation. In der gleichen Region beginnt auch die Konvektionszone Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 9

10 4.1.9 Fleckenzyklus Der Fleckenzyklus dauert im Durchschnitt 11.2 Jahre. Starke, grossflächige Magnetfelder sind mit den Flecken assoziiert. Die Polaritäten sind ost-westlich gerichtet. Das Vorzeichen ist für eine bestimmte Halbkugel einheitlich, aber dem der anderen Halbkugel entgegengesetzt. Das Vorzeichen wechselt alle 11 Jahre. Am Anfang des Zyklus erscheinen die Flecken bei ca o Breite; am Ende bei ca. 8 o. Die typische Lebenszeit eines Flecks liegt etwas unter einem Monat, sie kann aber einige Monate oder nur einen Tag betragen Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 10

11 Ursache des 11-Jahre Zyklus Die differentielle Sonnenrotation formt den Magnetzyklus. Bei a) ist die ganze Sonne im Wesentlichen nicht aktiv und das dominierende Magnetfeld bipolar. Bei d) erscheinen die Flecken an der Oberfläche. Nach einem Zyklus von ca. 11 Jahren ist die Polarität umgekehrt f) Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 11

12 Magnetischer 22-Jahre Zyklus Orts- und zeitaufgelöste Variation des Magnetfeldes auf der Sonnenoberfläche (magnetisches Schmetterlingsdiagramm). Die über eine Sonnenrotation gemittelte magnetische Sehlinen-Komponente als Funktion der Zeit: Gelbe und blaue Farben zeigen positive bzw. negative Magnetfelder. Alle ca. 22 Jahre wiederholt sich die magnetische Konfiguration. Die neuen magnetischen Gebiete entstehen wie die Sonnenflecken bei ca Breite. Die Anti-Pol-Polarität wandert gegen die Pole, die andere gegen den Äquator. Sonnenflecken wandern nicht gegen die Pole Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 12

13 Sonnenaktivität Die Aktivität der Sonne variiert auf auf verschiedenen Skalen: räumlich, zeitlich, energetisch Die Aktivitäts-Regionen erscheinen in verschiedenen Schichten Photosphäre: Sonnenflecken, Fackeln Chromosphäre: Plage, Flares Korona: koronale Massenauswürfe, Protuberanzen Erscheinung als: Ursache: Heizung, Teilchenbeschleunigung, Wellenausbreitung und Schocks Emission von Strahlung Bewegung des Plasmas Interaktion des Magnetfeldes Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 13

14 Sonnenkorona und Sonnenwind Der ausserhalb der Erde gemessene Sonnenwind zeigt, dass die Sonne einen ständigen Massenverlust erleidet. Die bei der Erde beobachteten Geschwindig-keiten liegen typisch bei v = 400 km/s. Mit den bei der Erde gemessenen Teilchendichte im Wind von n=1-10 cm -3 bzw. Massendichte g/cm 3. Damit ist der Massenverlust der Sonne Der Sonnenwind ist Temperatur- bzw. Druck getrieben und fliesst aus der Korona mit einer geringen Teilchendichte (n < 10 8 cm -3 und sehr hoher Temperatur von K Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 14

15 4.2 Weltraumwetter Weltraumwetter bezeichnet den physikalischen und phänomenologischen Zustand des natürlichen Umfeldes im Weltraum Durch Beobachtung, Überwachung, Analyse und Modellierung... - soll der Zustand der Sonne verstanden bzw. vorhergesagt werden; - die planetare/interplanetare Umgebung sowie Störungen auf diese beschrieben werden. Weltraumwetter beinhaltet verschiedene Phänomene, abhängig von der Aktivität: auf der Sonne im inter-planetarischen Raum in der (Erd-)Magnetosphäre in Ionosphere und Thermosphäre (der Erde) Einfluss durch: Strahlung, hochenergetische Teilchen, Störungen des Erdmagnetfeldes Diese Phänomene beeinflussen u.a. die nähere Umgebung der Erde, inklusive der Erdoberfläche und mit Einfluss auf die Technologie Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 15

16 4.2.1 Phänomene des Weltraumwetters Sonnenwind: Strom bestehend aus Gas und energiereichen geladenen Teilchen (Plasma), hauptsächlich Protonen und Elektronen, welche der Sonne entweichen, Geschwindigkeiten typisch 350 km/s Flares: Eine plötzliche Eruption auf der Sonnenscheibe, welche von einigen Minuten bis zu Stunden Dauern kann. Es hat eine erhöhte Emission von Strahlung und Teilchen zur Folge Koronale Massenauswürfe (CME) (mit oder ohne Flares): Ausbruch einer Meteriewolke von der Sonne manche, aber nicht alle CMEs gehen mit einem Flare einher Geomagnetische Stürme: Störung/Rekonfiguration des Erdmagnetfledes aufgrund des Auftreffen eines CMEs Fluktuationen der Strahlung im extremen EUV aufgrund von Sonnenaktivität und Flares Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 16

17 4.3 Sonne-Erde-Beziehung Vergleich der nördlichen Sommer Einstrahlung mit Eiszeiten (Wikipedia). Starke Einstrahlung im Juli auf 65 o nördlicher Breite verursachen eine Warmzeit Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 17

18 4.3.1 Drei Parameter bestimmen die Variation der Bestrahlungsstärke Position des sonnennächsten Punkts der Erdbahn Ellipse: Achsenverhältnis (Sonne im Brennpunkt) Neigung der Erdachse Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 18

19 4.3.2 Strahlungs- Forcing Betrachtet man die Einstrahlung im Juli auf 65 o nördliche Breite erhält man das sogenannte Strahluns- Forcing. Die Überlagerung vieler Perioden lassen die Bestrahlungsvariation chaotisch erscheinen. Die wesentlichste Periode ist um Jahre von der Variation der Bahnexzentrizität Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 19

20 4.3.3 Klima-Anomalien (letzten 400 Jahre) Kleine Eiszeit Klima-Anomalien sind mit der Variation der Sonnenaktivität korreliert Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 20

21 4.3.4 Sonne-Erde Beziehung: Einfluss auf das Klima Gesichert: Strahlungseinfluss durch Schwankungen der Erdbahn-Parameter bei Eiszeiten ist unbestritten Warmperioden während der letzten Eiszeit (Wie genau ist noch nicht vollständig erforscht) Spekulativ: Ein Strahlungseinfluss in den letzten 1000 Jahren? Um wie viel die Sonnenausstrahlung schwanken kann ist offen in Zukunft, innerhalb 20 bis 100 Jahren, wird eine Reduktion der Sonnenaktivität erwartet: Wie immer der Einfluss funktioniert: Ein Dalton- oder Maunder-Type Minimum könnte die globale Erwärmung um ca. 0.5 o C verringern Astronomie 4. Kapitel: Sonne und Sonne-Erde Beziehung W. Schmutz 21