Kapitel IV: Die Sonne

Die Sonne: Beobachtungsgrößen Sym. Wert Beobachtung Mittl. Entfernung a 149 Mio km Venusradar Masse M8 1.99 . 1033g Erdbahn Winkeldurchmesser d 31´59´´ Direkte Messung Durchmesser D 1.39 . 1011cm Aus d und a Mittl. Dichte r 1.41 g/cm3 Aus M und D Solarkonstante S 1.368 . 106 erg/s/cm2 Bolometer Leuchtkraft L8 3.8 . 1033 erg/s Aus S und a Effektivtemperatur Teff 5800K Aus L und R Rotationsperiode am Äquator PÄqu 24d16h Beobachtung von Sonnenflecken

Die Sonnenatmosphäre Beobachtbare Schichten der Sonne (Atmosphäre): Photosphäre = optischer „Rand“ der Sonne Chromosphäre Korona

Die Photosphäre Sichtbare „Oberfläche“, hohe optische Dichte Dicke ca. 500 km Temperatur 6400 K .. 4400K, Minimum 4400 K am oberen Rand der Photosphäre Wirkungs- querschnitt Teilchendichte Mitte-Rand Variation: Länge der maximalen Sichtlinie in die PS etwa konstant. -> Am Rand wird Emission aus höheren, kühleren Schichten beobachtet. 4400K 6400K Photosphäre Optisch sichtbare Schicht

Die Photosphäre Granulation der Photosphäre: Größe der Granulen: ~1000 km Lebensdauer: einige Minuten Konvektionszellen, in deren Zentrum heißes Gas aufsteigt, an den Rändern der Granulen sinkt abgekühltes Gas ab. Geschwindigkeit: einige km/s Optisch sichtbare Schicht

Die Photosphäre Sonnenflecken: Zuerst von Galilei und Scheiner beobachtet Rotationsperiode 25d am Äquator, 30d bei 60° Breite Kühlere (ca. 5000 K), dunklere Bereiche der Photosphäre Umbra (=Schatten) und Penumbra, etwas hellere Umrandung Treten meist paarweise bzw. als Fleckengruppen auf Lebensdauer Tage bis Wochen

Die Photosphäre Starke Magnetfelder (bis 4000 Gauss) in Flecken Polarität in Paaren entgegengesetzt Fleckenhäufigkeit variiert periodisch  Sonnenfleckenzyklus Maxima alle ~11 Jahre Magnetogramm der Sonne

Die Photosphäre Physik der Sonnenflecken Magnetisches Phänomen Aufsteigende magnetische Flussröhren erreichen die Photosphäre, magnetisiertes Plasma ist leichter als Umgebung, da teilweise durch magn. Druck stabilisiert (P=Pgas+Pmagn) Das Magnetfeld behindert die Konvektion  kühlere Sonnenflecken entstehen Röntgenaufnahme einer Fleckengruppe Magnetogramm magn. Feldlinien

Die Photosphäre Sonnenfleckenzyklus: Aktivitätsmaximum alle 11 Jahre  Auswirkungen auf Erdklima ? Ausnahme: Maunder-Minimum (1650-1700), fällt mit „kleiner Eiszeit“ auf der Erde zusammen Polarität von Paaren auf Nord- und Südhalbkugel wechselt von Zyklus zu Zyklus (wahre Periode 22 Jahre) Während des Zyklus wandert die Zone, in der Flecken entstehen, zu niedrigeren solaren Breiten (Schmetterlingsdiagramm) Magnetogramme aus 2 aufeinanderfolgenden Zyklen

Die Photosphäre Hypothese zum magnetischen Zyklus (nach Babcock): Zu Beginn des Zyklus vertikale Feldlinien in großer Tiefe. Differentielle Rotation „wickelt“ Feldlinien um die Sonne. Feldstärke (Dichte der Linien) wird verstärkt. Starke Flussröhren steigen auf und bilden Sonnenflecken. Am Ende des Zyklus neutralisieren sich die am Äquator entgegengesetzten Felder.

Spektrum der Photosphäre Kontinuum aus frei-frei Übergängen und gebunden-frei Übergängen. Verteilung entspricht ca. 5700 K Abweichung von Schwarzkörper- spektrum Im IR (~1600 nm) höhere Temperatur (> 6000K), da Absorption durch H– Ion Minimum erreicht, tiefere, heißere Schichten werden beobachtet.

Spektrum der Photosphäre Linienspektrum: Zahlreiche Absorptionslinien Zuerst von Fraunhofer (1787-1826) beschrieben Starke Fraunhofer-Linien: H, Ca, Mg, Fe

Spektrum der Photosphäre Fraunhofer-Linien entsprechen der Energie von atomaren Übergängen verschiedener Elemente in der Photosphäre. Beispiel: Balmer- Serie des Wasserstoffs.

Spektrum der Photosphäre Linien in Absorption wegen der nach oben abnehmenden Temperatur in der Photosphäre. Opazität in den Linien durch Absorption und Emission von Photonen erhöht. Bei den Wellenlängen der Linien werden höhere Schichten der Photosphäre beobachtet. Aus Intensität der Linien folgen insbesondere Elementhäufigkeit und Temperatur Besetzungshäufigkeit, Ionisationstufen der Atome. Aus Linienbreite kann Druck bestimmt werden Bei hohem Druck ist die Lebensdauer von atomaren Zuständen kürzer, Energieunschärfe höher (Stoßverbreiterung). Solare Häufigkeiten (bzgl. Anzahldichten): H: 92.1% He 7.8% Rest:0.1%

Chromosphäre Sichtbar als rötliche (Name) Hülle bei Finsternissen oder im Licht von Fraunhofer Linien (Ha) Höhe bis 2000 km über Photosphäre Temperatur zunehmend bis 25000K Dichte: ~10-4 der Photosphäre Strukturen: Filamente,Protuberanzen

Korona Äußere Hülle der Atmosphäre Sehr geringe Dichte ~10-12 × Photosphäre Ausdehnung Millionen km Temperatur bis 106K  Röntgenstrahlung

Korona Problem: Heizung der Korona Magnetfelder transportieren Energie aus der Konvektionszone (Pgas>Pmag) der Sonne in die Korona (Pmag>Pgas). Die Bewegungen der Konvektionszone erzeugen dabei die Variabilität der magnetischen Felder. Beschleunigung des Plasmas durch variable Magnetfelder.

Sonnenwind Strom von Teilchen (Elektronen, Ionen) von der Sonne Bereits Kepler postulierte unbekannte, von der Sonne ausgehende Kraft, da der Schweif eines Kometen immer von der Sonne weggerichtet ist. Strom von Teilchen (Elektronen, Ionen) von der Sonne Ionen: 95% Protonen, 5% He++, 1% andere 2 Komponenten: Langsamer Sonnenwind ~400 km/s Ursache: Entweichen von heissem Plasma aus Korona Tkorona~106K, Entweichgeschwindigkeit bei r=2R8: 440 km/s Entweichen von Plasma über offene Magnetfeldlinien

Sonnenwind Schneller Sonnenwind (~600 km/s) Entsteht in koronalen Löchern (coronal holes) (Regionen niedriger Magnetfeldstärke mit offenen Feldlinien) Sonnenwind transportiert Magnetfelder in der interplanetaren Raum Interplanetares Magnetfeld (IMF) Spiralstruktur durch Rotation der Sonne Heliosphäre=Einflußbereich des IMF

Sonnenwind Einfluss auf die Magnetosphäre der Erde Sonnenwind und damit IMF sehr variabel Einfluss auf die Magnetosphäre der Erde Asymmetrie der Magnetosphäre Deformation der Magnetosphäre bei magnetischen Ausbrüchen der Sonne geomagnetischer Sturm Teilchen, die im Erdmagnetfeld gespeichert sind, gelangen in die Erdatmosphäre Verstärkte Aurora- Aktivität

Sonnenwind Solare flares: Magnetische Explosionen verursacht durch magnetic reconnection = Vereinfachung einer Magnetfeldkonfiguration Im Magnetfeld gespeicherte Energie wird innerhalb von Minuten frei. Dies führt zu optischen flares, koronalen Massenausbrüchen (coronal mass ejection CME), Röntgen- und Gammastrahlungs- Ausbrüchen. Die Verstärkung des Sonnenwinds bei auf die Erde gerichteten CMEs kann zu geomagnetischen Stürmen mit Stromausfällen, Störungen im Funkverkehr, und verstärkten Aurorae führen.

Solare flares 28. Okt 2003 Radio–Flare, beobachtet von Tremsdorf

Solare flares CME und flare vom 4 Nov. 2003

Energieproduktion der Sonne Warum scheint die Sonne? Weil sie heiß ist (Oberfläche: 5700 K)  strahlt näherungsweise wie ein schwarzer Körper Strahlung  Energieverlust Woher bezieht die Sonne ihre Energie? Idee 1: chemische Prozesse (z.B. Verbrennung von Kohle) Idee 2: Gravitationsenergie Idee 3: Kernfusion

Energieproduktion der Sonne Idee 1: chemische Prozesse (z.B. Verbrennung von Kohle) L= 3.86x1033 erg/s  Verbrennung von 1.4x1019 kg Kohle pro Sekunde Lebensdauer: Chemische Reaktionen unzureichend zur Deckung des Energiebedarfs der Sonne

Energieproduktion der Sonne Idee 2: Gravitationsbindungsenergie Gravitationsbindungsenergie der Sonne: Leuchtkraft: L= 3.861033 erg/s Lebensdauer: Gravitationsbindungsenergie der Sonne unzureichend zur Deckung des Energiebedarfs der Sonne

Energieproduktion der Sonne Gravitationsenergie oder chemische Prozesse sind nicht in der Lage, die Leuchtkraft der Sonne über lange Zeit aufrechtzuerhalten  Kernfusion einzig mögliche Energiequelle Hohe Temperaturen + Dichten notwendig  Findet nur im Kern der Sonne statt Hauptsächliche Kernreaktion Proton-Proton Kette: 1. p + p  2D + e+ + ne 2. 2D +  3He + g 3. 3He + 3He  4He + p + p Total: 4 p  4He + 2 e+ + 2ne

Energieproduktion der Sonne 4 p  4He + 2 e+ + 2ne 4He hat 0.7% (4.810–26 g) weniger Masse als 4 Protonen E=mc2 = 4.310–5 erg Mit der Leuchtkraft und Masse der Sonne ergibt sich bei Nutzung von 10% des Wasserstoffvorrats damit eine theoretische Lebensdauer 1010 Jahren.

Energietransport Erzeugung im Kern, Abstrahlung größtenteils aus Photosphäre, wie wird Energie nach außen transportiert? 2 Mechanismen: Strahlung, Konvektion Wann tritt Konvektion auf? Wenn adiabatischer Temperaturgradient kleiner ist als der Temperaturgradient des Strahlungsgleichgewichts. d.h. ein aufsteigendes Volumenelement mit adiabatischer Abkühlung bleibt wärmer (-> leichter ) als seine Umgebung. In der Sonne ist dies der Fall für r> 0.7 R8 (Konvektionszone), darunter radiativer Energietransport.

Energietransport Radiativer Energietransport : Mittlere freie Weglänge für Photonen: 0.5 cm 1022 Absorptionen, Reemissionen 106 Jahre nötig, um Energie zu transportieren.

Neutrinos von der Sonne Elektromagnetische Strahlung erlaubt keine direkte Beobachtungen aus Schichten tiefer als die Photosphäre. Eine eventuelle Änderung der Energieproduktion im Kern würde sich erst nach 106 Jahren in der Leuchtkraft bemerkbar machen. Einzige Möglichkeit, die nuklearen Prozesse im Kern direkt zu beobachten, sind Neutrinos. Neutrinos besitzen extrem kleine Wechselwirkungsquerschnitte mit Materie. Neutrinos aus den Kernfusionsprozessen verlassen die Sonne ohne weitere Wechselwirkungen.

Neutrinos von der Sonne Was sind Neutrinos (n) ? Neutrale Elementarteilchen mit bisher nicht genau bestimmter Masse Gehören zur Familie der Leptonen (wie Elektronen) Drei Neutrino flavors: ne, nm, nt , entsprechend Elektronen, Myonen und Tauonen. Extrem geringe Wechselwirkungen mit Materie mittlere freie Weglänge in Blei: 1000 Lichtjahre unser Körper wird jede Sekunde von 5 x 1014 Neutrinos durchflossen, jedoch finden nur etwa eine Wechselwirkung während unseres Lebens statt. Problem: Extrem große Detektoren notwendig, um solare Neutrinos zu messen. Trotzdem sehr geringe Zählraten, sehr gute Abschirmung gegen Hintergrund-Ereignisse nötig.

Neutrinos von der Sonne Erster Detektor für solare Neutrinos: Chlor-Experiment in der Homestake-Mine (1600 m tief, Beginn 1968) Nobelpreis für Raymond Davis 2002 Tank mit 400 m3 C2Cl4 (handelsübliches Lösungsmittel) Detektionsprinzip: Reaktion 3717Cl +ne -> 3718Ar + e- 37Ar ist radioaktiv, es wurde aus dem Tank gespült und in Zählrohre gefüllt, um Zerfälle zu detektieren. Nach 100 Tagen Messung von 60 (!) Ar-Zerfällen in einem Detektor mit 1031 Cl Atomen!

Neutrinos von der Sonne Chlor-Experiment ist nur empfindlich für relativ energetische Neutrinos aus Nebenzweigen der p-p-Kette: z.B.: 3He+4He  7Be 7Be+e-  7Li + ne Nicht empfindlich für Neutrinos aus Hauptreaktion: p + p  2D + e+ + ne Ergebnis: Neutrinofluss war nur ca. 30% der erwarteten Rate!  Solares Neutrino-Problem Ursache? Sonnenmodell falsch? 7Be Reaktion ist temperaturabhängig. Fehler im Experiment? Neue Neutrino-Physik? z.B. Neutrino-Oszillationen, bei denen ne teilweise in nm und nt umgewandelt werden.

Neutrinos von der Sonne Lösung erst durch neue Experimente: GALLEX (Italien): ähnlich Chlor-Experiment, jedoch mit 30t Gallium. Empfindlich für p-p Neutrinos. Kamiokande (Japan): Cherenkov-Detektor, großer Wassertank umgeben von Photo-Multipliern: Detektiert Stöße zw. e- und ne mittels Cherenkov-Licht vom relativistischen Elektron. Sudbury neutrino observatory (Kanada). Cherenkov-Detektor mit schwerem Wasser, detektiert auch nt und nm Kamiokande Detektor

Neutrinos von der Sonne Ergebnisse: Defizit von solaren ne betätigt. Gilt auch für p-p Neutrinos, deren theoretischer Fluss durch Sonnenleuchtkraft genau bestimmt ist. Bestätigung für Neutrino-Oszillationen (Umwandlung der flavors von Neutrinos auf dem Weg zwischen Sonnenkern und Erde. Bestätigung des Standard Sonnenmodells. Theorie der Neutrino-Oszillationen benötigt Ruhemasse der Neutrios, die damit erstmals gefunden wurde  erster experimenteller Nachweis für Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik ( Teilchenastrophysik)