Dr. Christian Anders. Unsere Sonne und die Sterne. Studentische Arbeitsgemeinschaft für Astronomie e. V. (SAGA)

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1 Unsere Sonne und die Sterne Dr. Christian Anders Studentische Arbeitsgemeinschaft für Astronomie e. V. (SAGA) Fachbereich Physik Technische Universität Kaiserslautern Vorlesung zur Kinder-Uni

2 Unsere Sonne und die Sterne 1. Die Sonne unsere Wärmequelle 1. Beobachtung 2. Aufbau 3. Sonnenaktivitäten 2. Das Sonnenteleskop 3. Von der Sonne zu den Sternen 1. Gemeinsamkeiten und Unterschiede 2. Farbe und Temperatur 4. Zusammenfassung 5. Danksagung 2

3 1.1 Sonnenbeobachtung gestern und heute Stonehenge Observatorium auf dem Berg Teide (Teneriffa) Spektroskopie SOHO Stereo 3

4 Stonehenge: ein uraltes Sonnenobservatorium? Heel-Stone im Nordosten markiert Sonnenaufgang bei Sommersonnenwende Kalender wichtig für Landwirtschaft 4

5 Warum müssen wir heute die Sonne beobachten? Strahlung Störung Wärme Klima 5

6 Die Sonne unsere Wärmequelle Die Sonne ist der Stern um den die Erde kreist Die Sonne ist glühende Gaskugel: ~91% Wasserstoff, 9% Helium, <1% andere Elemente Sonnenstrahlung auf Erde: 1400 W/m 2 (Solarkonstante) Scheinwerfer mit 1000 W auf weniger als 1 m² Energieabgabe in einer Sekunde: Stromverbrauch in 1 Millionen Jahren Fläche der Erde könnte mal den irdischen Strombedarf einsammeln Wasserstoff reicht noch mehr als 5 Milliarden Jahre 6

7 Sichere Sonnenbeobachtung Ferngläser und Teleskope sammeln Licht Augenlinse bildet Sonne auf kleinen Fleck der Netzhaut ab Gefahr für die Augen Sehe nicht direkt in die Sonne! Niemals mit einem Teleskop ohne Filter! Okularfilter können platzen Objektivfilter, Sonnenfolien und Sonnenteleskope sind sicher Erblindungsgefahr Sonne nur mit Erwachsenen beobachten, die Sicherheit des Teleskops prüfen können! 7

8 1.2 Aufbau der Sonne Kernfusion von Wasserstoff zu Helium im Kern Energie-Transport durch Strahlung und strömendes heißes Gas (Konvektion) bis zur Oberfläche (Photosphäre) 300 km dicke Photosphäre: sichtbare Sonnenscheibe Granulation entsteht durch Konvektions-Zellen unter der Photosphäre Die Chromosphäre und die Korona darüber werden von der Photosphäre überstrahlt 8

9 Das Spektrum des Sonnenlichts Angeregter Wasserstoff in Photosphäre erzeugt Licht aller Farben Alles zusammen erscheint gelb Prisma zerlegt Licht in Spektrum Im Sonnen-Spektrum fehlen Farben: Fraunhofer-Linien 9

10 Fraunhofer-Linien Gas Stoffe im Lichtweg verschlucken (absorbieren) bestimmte Farben Helium zuerst auf Sonne (Helios) entdeckt Linie im Roten: Wasserstoff Das absorbierte Licht wird ungerichtet wieder abgestrahlt Sonnenteleskop: Beobachtung nahe fehlender Linie helle Photosphäre durch Absorption unterdrückt Chromosphäre darüber, die Licht wieder abgibt, wird sichtbar 10

11 1.3 Sonnenaktivitäten: Sonnenflecken Alle 11 Jahre häufen sich die Sonnenflecken Sonnenflecken kälter als Umgebung => weniger Lichtabgabe Sonnenflecken entstehen durch Verdrehungen des Magnetfeldes der Sonne, die Energienachschub vom Kern behindern Geringere Aktivität der Sonne => kälteres Klima Kleine Eiszeit im Mauder + Dalton Minimum 11

12 Die Ursache der Sonnenflecken Die Sonne ist heiß: Kern: 15 Millionen C Oberfläche: 6000 C Hitze entreißt Atomen einige Elektronen => Plasma Im Plasma bewegen sich Ladungsträger => Magnetfelder Magnetfeld-Linien sind an die Bewegung des Plasmas gekoppelt und umgekehrt Aufwicklung der Magnetfeld-Linien durch unterschiedliche Drehung der Sonnenoberfläche Hohe Feldstärke zusammengedrehter Felder Störung der Plasma-Konvektion Verminderung des Energienachschubs aus tieferen Schichten Temperaturabfall => Sonnenflecken erscheinen dunkler 12

13 Aktivitäten in der Chromosphäre Chromosphäre: Farbige Schicht Aktive Regionen umgeben von hellen Flecken: Fackeln im Wasserstoff-Licht 13

14 Protuberanzen Sonne gibt Material ab => Sonnenwind Protuberanzen: heißes Plasma-Gas, das den magnetischen Feldlinien folgt. Sichtbar in UV- und Wasserstoff-Licht Von oben erscheinen Protuberanzen wegen Absorption als dunkle Streifen Erscheinung relativ unabhängig vom magnetischen Sonnenfleckenzyklus 14

15 Flares: Sonnenausbrüche Heftige Materie-Auswürfe bedingt durch Neuverknüpfung magnetischer Feldlinien Strahlung vom Radiowellen über sichtbares und Röntgen-Licht bis zu γ-strahlung und Protonen (weiße Störstreifen auf den Bildern) 15

16 Die Folgen der Flares für die Erde Flares beschleunigen Teilchen zu erheblichen Geschwindigkeiten Energiefreisetzung wie Stromverbrauch in Jahren Verstärkte Strahlung gefährdet Astronauten und Satelliten Partikel treffen auf Erdmagnetfeld => magnetische Stürme und Polarlichter Funkstörungen Stromausfälle wegen Überlast durch Induktionströme 16

17 Beobachtung von Flares Flares erscheinen in mehreren Spektralbreichen bei aktiven Gebieten Messungen im Weltraum: alle Spektralbereiche, kein Streulicht Vom Boden: nur bestimmte Farben Flares regen Sonne zu Schwingungen an 17

18 Sonnenschwingungen Flares regen Schwingungen der Sonne an => Helioseismologie Helioseismologie => Information über unsichtbare innere Schichten der Sonne 18

19 Die Sonnenfinsternis 19

20 Erscheinungen bei einer Sonnenfinsternis Mond schiebt sich über die helle Sonnenscheibe Chromosphäre bleibt zuletzt als farbiger Rand Bei Totalbedechung wird äußerste Schicht, die Korona sichtbar Korona ist 1 Million Mal lichtschwächer als sichtbare Sonnenscheibe Nächster Termin: 1. August 2008 bei uns nur teilweise in Zentralasien vollständig 20

21 2. Das Coronado Sonnenteleskop Sichere Beobachtung durch mehrere Filter Eingangsfilter lässt nur bestimmtes rotes H α -Licht vom Wasserstoff durch Sonnenaktivitäten in Chromosphäre werden sichtbar Fackeln, Protoberanzen und Flares Sichtbare Veränderungen in kurzer Zeit 21

22 Sonnen-Beobachtung mit dem Teleskop der SAGA Photos von Holger Wenz um den Zeit zwischen den beiden Bildern: 16 Minuten Veränderung der Protuberanzen Das Sonnenteleskop steht Mitgliedern der studentischen Arbeitsgemeinschaft für Astronomie der Technischen Universität Kaiserslautern zur Beobachtung zur Verfügung SAGA auch für Schüler offen 22

23 3. Von der Sonne zu den Sternen Sterne setzen wie die Sonne ihre Energie durch Kernfusion frei Unterschiede zur Sonne: Entfernung Helligkeit Farbe Temperatur Größe Masse Alter Ferne Sterne erscheinen kleiner und dunkler als sie wirklich sind 23

24 Die Farben der Sterne Temperatur der Sternenoberfläche => Farbe Vgl. Glühendes Eisen kühle Sterne: rot Sonne (6000 C): gelb Heiße Sterne: blau Hertzsprung-Russel- Diagramm: Sterne sortiert nach Farbe und Leuchkraft Temperatur in C 24

25 Himmelsbeobachtung Ausschnitt aus Wintersternenhimmel Sternbilder sind Hilfslinien zur Orientierung Es gibt 88 Sternbilder Die Sonne durchläuft während des Jahres die 12 Tierkreiszeichen Zum Schluss: Gruß der Astronomen: clear skies möge der Himmel klar sein 25

26 4. Zusammenfassung Die Sonne ist der Stern von dem wir leben Sehe niemals ungeschützt in die Sonne! Bei Sonnenfinsternis Filterbrille benutzen! Sonnenbeobachtung an der TU-KL mit dem Sonnenteleskop der SAGA Sterne sind glühende Gaskugeln wie die Sonne in großer Entfernung Sterne setzen durch Kernfusion Energie frei Heißere Sterne leuchten blau, Sonne gelb, kühlere rot 26

27 5. Danksagung An den Regionalverband Hessen- Mittelrhein-Saar der Deutschen Physikalischen Gesellschaft für das Sonnenteleskop An Prof. Urbassek vom Fachbereich Physik der TU-KL für Unterstützung der SAGA beim Kauf der Montierung Den SAGA-Mitgliedern für die Mithilfe bei der Präsentation 27

28 Literatur und Bildquellen Werner E. Celnik, Kosmos: Himmelspraxis, Stuttgart 2007 Michael Delfs, die Sonne im 4. Quartal 2004 in Sterne und Weltraum: 7/ 2005, S. 82ff und die Sonne im 4. Quartal 2006 in Sterne und Weltraum 8/2007, S. 82 ff Wolfgang Demtröder, Experimentalphysik 4 (Kern-,Teilchen- und Astrophysik), Heidelberg 1998 und Experimentalphysik 2 (Elektrizität und Optik), Heidelberg 1995 Dorn, Bader, Physik Mittelstufe, Hannover 1980 Hansjürg Geiger, Aufbruch zu neuen Welten, Stuttgart 2007 Christian Gertsen, Helmut Vogel, Physik, 17. Auflage, Berlin 1993 John Gribbin, Simon Goodwin, Das Reich der Sonne, Augsburg 1992 Thilo Günter, Die Sonne der Stern, von dem wir leben in Sterne und Weltraum 8/2007, S. 70 ff Dieter B. Herrmann, Kosmos: Die große Himmelskunde, Stuttgart 2007 Joachim Herrmann, Kosmos-Himmelskunde, Stuttgart 1986 Rudolf Kippenhahn, Wolfram Knapp, Schwarze Sonne, roter Mond, die Jahrhunderfinsternis, Stuttgart 1999 Klaus Kosbi, ein preiswertes Sonnenteleskop von Coronado in Sterne und Weltraum 7/2005, S. 82ff Hakan Önel, Vortrag über die Sonne, 16. August 2007, Astrophysikalisches Institut Potsdam, (enthält Filmchen der solaren Phänomene) Tony Osman, Das Universum, Stuttgart 1978 Colin A. Ronan, Naturgeschichte des Universums, Augsburg 1992 Wikipedia: Helmut Zimmermann, Alfred Weigert, ABC-Lexikon Astronomie, Heidelberg