Der Sternenhimmel im Juli 2023

Beitrag: Thomas Baer, Redaktion ORION

Thema des Monats: Aktive Sonne – wir nähern uns langsam dem Aktivitätsmaximum

Auf der Sonne ist derzeit einiges los. Es gibt mit entsprechender Ausrüstung viele Sonnenflecken zu beobachten, aber auch auf der Oberfläche brodelt es. Immer wieder kommt es zu heftigen Ausbrüchen, die wir in Form von Flares oder spektakulären Protuberanzen (am Sonnenrand) sehen können. Der 25. Aktivitätszyklus ist etwas stärker als sein Vorgänger, und das Maximum steht uns erst noch bevor.

Für viele Laien ist unser Tagesgestirn primär eines; ein Licht- und Wärmespender. Längst sollte allen klar sein, dass wir uns gerade jetzt im Hochsommer und bei hohem Sonnenstand nicht stundenlang in die pralle Sonne legen und uns der gefährlichen UV-Strahlung aussetzen sollten, selbst wenn wir uns mit Sonnenschutzfaktoren 50+ eincremen. Die Sonne sendet nicht nur das für uns sichtbare Licht aus, sondern eine ganze Bandbreite an Strahlung, die jenseits des Wahrnehmungsbereichs unserer Augen liegt, von der hochenergetischen Höhenstrahlung, über die Gamma- und Röntgenstrahlung zu UV und im langwelligen Bereich über Infrarot (Wärmestrahlung), Mirkrowelle bis zur Langwelle und Wechselströmen. Dank der Erdatmosphäre und des Erdmagnetfelds (solange intakt – lesen Sie hierzu den Monatsbeitrag in der Juni-Vorschau) werden diese für Fauna und Flora schädlichen Strahlungen zumindest teilweise abgeschwächt. So etwa absorbiert das stratosphärische Ozon die UV-Strahlung, und das Plasma sowie Gamma- und Röntgenstrahlung, die als Folge des Sonnenwindes zu uns gelangen, werden durch das Erdmagnetfeld abgeschirmt.

Die meisten Menschen haben unsere Sonne jedoch noch kaum je durch ein Teleskop beobachtet, was weiter nicht erstaunt, wird doch stets und zurecht vor der Gefährlichkeit der Sonnenbeobachtung gewarnt! Es stimmt: Man darf niemals ohne einen professionellen Sonnenschutz (spezielle Sonnenfilter) mit einem Fernglas oder Teleskop direkt in die Sonne schauen! Die Folgen wären fatal. Ein Teleskop ist bekanntlich ein Lichtverstärker, der das einfallende Licht durch ein optisches System (Spiegel oder Linsen) bündelt und in unsere Augen fallen lässt. Ohne ein Sonnenschutzfilter wirkt ein Teleskop oder ein Feldstecher wie ein Brennglas und würde innert Sekundenbruchteilen unsere Augen irreparabel schädigen!

Professionelle Sonnenfilter

Heute verfügen die allermeisten Sternwarten über professionell ausgerüstete Sonnenteleskope, durch die man bedenkenlos unser Tagesgestirn beobachten kann. Was wir dabei zu sehen bekommen, ist faszinierend. Durch ein sogenanntes Weisslichtfilter – vereinfacht gesagt, setzt man dem Teleskop eine ultrastarke «Sonnenbrille» auf (entweder ein Glasfilter, ein Mylar- oder Black Polymer-Filter) – kann man die Sonnenoberfläche, die knapp 6’000 °C heisse Photosphäre, jetzt sehen. Von ihr aus macht sich das Licht auf seine Reise.

	Sonnenfilter von Thousand Oaks Glasfilter Sonnenbild erscheint gelblich-orange
	Baader Sonnenfilter (AstroSolar Sonnenfilter) Folienfilter Sonnenbild erscheint weiss

Diese erscheint bei genauem Hinsehen nicht einfach glatt, sondern zeigt eine körnige Struktur, Granulation genannt. Am besten Stellen wir uns die Sonnenoberfläche wie einen «siedenden Wassertopf» vor; das «sprudelnde Wasser» sind auf der Sonne heisse Plasmablasen (Granulen), die an die «Oberfläche» treten und Ausdehnungen von 500 bis 2’000 km im Durchmesser haben. Sie existieren nur für wenige Minuten.

Bei sehr starker Vergrösserung sehen wir hier detailreich die Struktur der Photosphäre um eine Sonnenfleckengruppe. Die einzelnen Zellen, die Granulen, haben eine Lebensdauer von wenigen Minuten. (Bild: NASA)

Turbulente Chromosphäre

Über der Photosphäre erstreckt sich mit einer Mächtigkeit von bis zu 2’500 km eine weitere Schicht aus dünnem Gas, die Chromosphäre, was auf griechisch soviel wie «Farbhülle» bedeutet. Sie reicht damit bis in die unteren Bereiche der unsichtbaren Sonnenkorona. Ohne optische Hilfsmittel kann man diese dünne Schicht nur während einer totalen Sonnenfinsternis für wenige Sekunden als roten Lichtsaum sehen, wenn das gleissend helle Licht der Photosphäre durch den Neumond gänzlich abgeschirmt wird. Sonst ist die Chromosphäre völlig überstrahlt. Ihre Gasdichte nimmt mit zunehmender Höhe von 10⁻¹¹ auf 10⁻¹⁵ g/cm³ ab. Auch die Temperatur sinkt von 5’800 K auf unter 4’000 K, um im Bereich der oberen Chromosphäre rasch wieder auf 10’000 K anzusteigen. Innerhalb einiger tausend Kilometer geht die Chromosphäre schliesslich in die Korona über, in der die Temperatur aufgrund bislang noch immer nicht verstandener Mechanismen auf 1 bis 2 Millionen K ansteigt (lesen Sie dazu den Beitrag in ORION 3/23 zum Astrophysikalischen Observatorium Tschuggen in Arosa). Aufgrund ihrer geringen Dichte trägt die Chromosphäre bloss einen unbedeutenden Anteil zur Gesamtstrahlung der Sonne bei.

Aufbau der Sonne. Mit Sonnenfiltern lassen sich nur die äussersten Bereiche beobachten, die Photosphäre sowie die Chromosphäre. (Quelle: ESA)

Im Licht des «angeregten Wasserstoffs»

Filtert man aus dem sichtbaren Spektrum den grössten Teil heraus, so dass wir nur noch den roten Anteil sehen, finden wir bei einer Wellenlänge von 656.28 nm oder 6’562.8 Å eine helle Emissionslinie, die H-Alpha-Linie des angeregten Wasserstoffs. Für die Sonnenbeobachtung ist dieser Bereich von besonderem Interesse, weil in diesem Wellenlängenbereich die Strukturen der Chromosphäre selbst, aber auch Protuberanzen, Filamente (dunkle Gaswolken), Flares (Lichtausbrüche) und Fackelfelder (besonders heisse Gebiete) sichtbar gemacht werden können. Weiter ist nicht erstaunlich, warum uns das H-Alpha-Bild beim Blick durchs Sonnenteleskop rot erscheint, liegt es doch eben im roten Teil des Spektrums.

Sichtbarer Bereich des Wasserstoff-Spektrums mit den Linien Hα (rechts) bis Hζ (links). Die zwei Linien links sind mit dem Auge nicht mehr sichtbar, sondern wurden mit UV-empfindlichen Sensoren aufgenommen. (Quelle: Wikipedia)

Ein H-Alpha-Sonnenteleskop lässt die Chromosphäre der Sonne sichtbar werden. Im Licht des angeregten Wasserstoffs lassen sich derzeit am Sonnenrand fast täglich schöne Protuberanzen beobachten. (Quelle: Teleskopservice)

Der 25. Sonnenfleckenzyklus

Unsere Sonne ist eine für unsere Begriffe riesige Plasmakugel, obwohl sie als Stern zu den Winzlingen gehört. Wir könnten die Erde gut und gerne 110 Mal aneinanderreihen und bekämen so den Sonnendurchmesser von rund 1.4 Millionen km. Auch wenn sich die Sonne auf ihre gesamte Lebensdauer betrachtet, in einer ruhigen Phase des Wasserstoffbrennens befindet, pulsiert sie dennoch und unterliegt verschiedener Aktivitätszyklen. Der bekannteste Zyklus, den wir seit Beginn der ersten Aufzeichnungen im frühen 17. Jahrhundert beobachten, ist eine 9 – 14-jährige Periode (im Schnitt 11.1 Jahre), in der sich das Magnetfeld der Sonne regelmässig umpolt. Schon mit den allerersten Sonnenbeobachtungen stellten die Astronomen fest, dass sich zyklisch einmal mehr, dann wieder weniger Sonnenflecken auf der Sonnenscheibe zeigten. Dieses Auf und Ab wurde schliesslich im 19. Jahrhundert erstmals anhand einer Formel berechnet: Urheber der Sonnenflecken-Relativzahl [R] war der Zürcher Astronom und Physiker Rudolf Wolf (1816 bis 1893). Noch heute wird die Anzahl der Sonnenflecken nach dieser Beobachtungsformel ermittelt; es ist eine der längsten Beobachtungsreihen überhaupt und wird regelmässig auch im ORION publiziert! Seit 2019/20 – damals hatten wir das Aktivitätsminimum – befinden wir uns im 25. Sonnenzyklus. Viele Anzeichen deuteten darauf hin, dass nach dem eher schwachen 24. Zyklus auch der aktuelle deutlich schwächer ausfallen könnte als die starken Zyklen des «Modernen Maximums».

Verglichen mit den Sonnenflecken-Maxima der frühen 1980er-, 1990er- und 2000er-Jahre war der 24. Aktivitätszyklus bedeutend schwächer ausgeprägt, und auch der 25. wird nicht viel stärker ausfallen.

Detailansicht der aktuellen Sonnenaktivität im Vergleich zu den Prognosen.

Dass der 25. Aktivitätszyklus einer der stärksten überhaupt werden könnte, wie in einigen Medien zu lesen war, ist äusserst unwahrscheinlich. Zwar erfolgte der Anstieg der Sonnenflecken schneller als erwartet, und noch immer befinden wir uns auf dem aufsteigenden Ast. Doch wie man aus den Diagrammen oben sieht, liegt die Entwicklung recht gut eingebettet in den Modellkurven. Im Frühjahr oder Sommer des kommenden Jahres wird das Maximum erwartet; danach geht die Aktivität langsam wieder zurück. Selbstverständlich sind Überraschungen immer möglich.

Die Sonne unterliegt noch weiteren Zyklen, etwa dem 22-jährigen Hale-Zyklus. Dieser ist im Prinzip nichts anderes als der doppelte 11-Jahres-Zyklus. Nach 22 Jahren ist die Polarität der Sonne wieder gleich. Aus der Klimageschichte heraus vermutet man noch wesentlich längere Perioden: Der Geissberg-Zyklus mit einer Periode von 80 bis 90 Jahren könnte auch das ungewöhnlich lange und tiefe Sonnenflecken-Minimum von 2008 erklären. Der Suess– oder de Vries-Zyklus (180 – 210 Jahre) wurde aufgrund von Schwankungen des ¹⁴C/¹²C-Verhältnisses entdeckt. So wurde beobachtet, wie grosse Minima – man spricht auch von Grand Minima – in der Geschichte mehrmals gehäuft auftraten. Gut möglich, dass auch das «Maunder-Minimum» auf diesen Zyklus zurückzuführen ist.
Mittlerweile vermutet man auch einen 1470-Jahres-Zyklus (das 7-fache des Suess– und das 17-fache des Geissberg-Zyklus) sowie eine 2’400 Jahre lange Periode (Hallstatt– oder Bray-Zyklus).

Wo kann man die Sonne beobachten?

Im Sommerhalbjahr bieten diverse Sternwarten in der Schweiz Sonnenbeobachtungen an. Wer einmal einen Blick auf unser Zentralgestirn werfen will, hat folgende Möglichkeiten:

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