Frage von Emmalarley, 44

Der Zyklus der Sonnenflecken?

Hallo. Also, Sonnenflecken haben ja einen 11-jährigen Zylkus, genauso wie das Magnetfeld der Sonne. Die Sonne polt sich ja alle 11 Jahre um, also mal ist der Nordpol oben, dann nach 11 Jahren der Südpol. Jetzt meine Frage, unser Lehrer meinte, dass die irgendwie zusammen hängen, also die beiden Zyklen. Ich weiß aber nicht wie. Weiß das jemand von euch? Meine Vermutung wäre, dass, weil das Magnetfeld sich nach 11 Jahren umpolt, dass das chaotisch würde und dann viele magnetfeldlinien rausstechen und sich dadurch Sonnenflecken bilden. Und weiß jemand, wieso Sonnenflecken nur in äquatornähe vorkommen?

Antwort
von pflanzengott, 19

Hallo Emmalarley,

grundsätzlich sind die Mechanismen der magnetischen Aktivität in Sternatmosphären gut modelliert. Sterne bauen nach dem Prinzip des magnetohydrodynamischen Dynamos immer ein Magnetfeld auf, wenn ein anfänglich schwach vorhandenes Feld existiert, dass im Rahmen der Dynamotheorie durch zusätzliche kinematische Anteile der Sternmaterie quantitativ verstärkt wird. 

Konvektionsprozesse in dynamisch instabilen Schichtungen des Sterns , sowie eine tiefenabhängige differenzielle Rotation sind dafür unerlässliche Voraussetzungen. Grundsätzlich ist anzunehmen, dass die Anwesenheit einer äußeren Konvektionszone, gepaart mit rascher und differenzieller Rotation der Sternschichten bereits ausreicht, um ein ursprünglich im Stern konserviertes Magnetfeld zu verstärken. 

Die tiefenabhängige differenzielle Rotation ist es dabei letztlich auch, die die ursprünglich poloidale Feldstruktur in eine toroidale übergehen lässt, sprich sie bestimmt den Verlauf des Aktivitätszyklus. Stell es dir in etwa so vor:

Das Magnetfeld des Sterns ist zu Beginn eines Aktivitätszyklus angenähert so ausgerichtet, wie das eines Stabmagneten. Die Dichte der Feldlinien zueinander steht repräsentativ für die Magnetfeldstärke. Ein Stern ist, bereits bei seiner mathematischen Modellierung, in unterschiedliche Schichten einzuteilen. Tiefenabhängige differenzielle Rotation meint jetzt, dass sich diese Schichten die von den Magnetfeldlinien durchsetzt sind, unterschiedlich schnell bewegen. Logischerweise wird auf diese Art langfristig, die poloidale geordnete Magnetfeldstruktur gestört.

Feldlinien fangen an sich zu überschneiden: Die Folge sind sogenannte Rekonnexionen, bei denen immense Mengen magnetischer Energie schlagartig in Strahlungsenergie umgewandelt werden. Das ist eine typische Erscheinung von Flares! Auch andere Aktivitätsphänomene wie Sonnenflecken, Protuberanzen oder Fackeln sind letztlich nur durch magnetische Störungen zu erklären, die in der Tachocline-Region des Sterns mit der Ausbildung magnetischer Flussröhren ihren Anfang nehmen und danach durch die Auftriebskraft in die Photosphäre steigen. Dort unterbindet im Falle der Sonnenflecken, das Magnetfeld den Energietransport durch Konvektionsprozesse, was zwei Konsequenzen hat:

1. Die Stelle an der der Konvektionsfluss effektiv durch magnetische Felder gestört wird, kühlt aus und gerät aus dem thermodynamischen Gleichgewicht (darum sehen Sonnenflecken schwarz aus)

2. Der blockierte konvektive Energiefluss von unten muss irgendwie im Stern gespeichert werden. Offenbar ist bei vielen magnetisch aktiven Sternen, bei denen bis zu 70% der Oberfläche mit Sternflecken bedeckt ist, eine Langzeitmodulation der bolometrischen Helligkeit, die den verminderten Energiefluss aus dem Innern zeitlich kompensiert, eine plausible Erklärung (Missing-Flux-Problem).

Faktisch ist zu sagen, dass ein solcher Magnetfeldzyklus durch differenzielle Rotation in Gang gesetzt wird, und das zeitliche Stören der poloidalen, strukturierten Feldkomponenten verursacht. Ist das Magnetfeld irgendwann zu sehr verdrillt, so polt sich das Feld wieder um, und es erscheint anfangs ausgerichtet und ohne Rekonnexionen. Dann ist die Phase minimaler magnetischer Aktivität erreicht.

Abschließend noch zu deiner Frage: Wieso kommen Sonnenflecken nur äquatornah vor?

Grundsätzlich ist hierbei die horizontale Diffusion des Magnetfeldes anzuführen. Viele magnetisch aktive Zwergsterne zeigen nach dem Doppler-Imaging-Verfahren sogenannte Polflecken. Auf vielen Sternen bilden sich gerade an den Polen Flecken aus, in äquatornähe ist hingegen kaum etwas von magnetischer Aktivität zu erkennen.

Der Grund dafür, liegt in einem Kräftegleichgewicht aus 3 Komponenten. Die Auftriebskraft, die magnetische Rückstellkraft, und die Coriolis-Kraft greifen auf eine magnetische Flussröhre an, und bilden dabei ein Kräftedreieck. Die Gesamtkomponente dieses Dreiecks weist nahezu immer in die Richtung parallel zur Rotationsachse, was eine Ablenkung zu höheren Breiten bedeutet.

In der Sonne weist aus bislang ungeklärten Gründen, die Richtung der Kraft in die Richtung antiparallel zur Rotationsachse. Als Konsequenz bilden sich auch hier in der Tachocline-Region magnetische Flussröhren aus die schnell eine Auftriebskraft erhalten und als magnetische Störung die Photosphäre in äquatornähe durchbrechen. Im Verlauf eines 22-jährigen kompletten Hale-Zyklus wandern die Flecken allerdings auch von höheren zu immer tiefer werdenden heliographischen Breiten.

Lg Nikolai 

Kommentar von pflanzengott ,

Falls du dich für stellaren Magnetismus interessierst, empfehle ich dir diesen Text, den ich vor einiger Zeit mal geschrieben habe:

http://www.spaceone.info/themen/magnetisch-aktive-sterne/

Kommentar von Emmalarley ,

Ich hab das jetzt nicht alles ganz verstanden. Sorry, ich bin ziemlich blöd. Aber kommen Sonnenflecken äquatornah vor, weil am sonnenäquator ein stärkeres Magnetfeld existiert ?

Kommentar von pflanzengott ,

Nein, ich antworte vermutlich später nochmal auf deine andere Frage.

Antwort
von myzyny03, 30

Deine Erklärung ist im Prinzip ganz richtig.

Während des 11-Jahres-Zyklus wird das Magnetfeld zunehmend instabil, und die Sonnenflecken haben chaotische einzelne Magnetfelder. Zudem "wandert" der Bereich in dem Sonnenflecken entstehen in Richtung Sonnenäquator, weil es sich quasi "aufwickelt". Am Anfang des Zyklus können sie aber auch weit nördlich und südlich sein. Man könnte also sagen, die Sonnenflecken sind in der Nähe des Sonnenäquators, WEIL das Magnetfeld sich umpolt.

Warum das ganze so ist, ist noch nicht abschliessend erforscht.

Kommentar von Unsinkable2 ,

Hier gibt's eine Zeitraffer-Aufnahme (1997 - 2013) der letzten Polumkehr:

* www.youtube.com/watch?v=9XT2QIANsD0

Kommentar von Emmalarley ,

Hat es auch was damit zu tun, dass die Sonne sich am Äquator am schnellsten dreht? 

Kommentar von myzyny03 ,

vermutlich ja. Du bist wohl sehr an der Astronomie interessiert?

Kommentar von VaniHermione ,

Ist das denn jetzt so, dass das Magnetfeld sich nach 11 Jahren umpolt und das so chaotisch wird und auch direkt danach instabil ist, dass viele Magnetfeldlinien rausstechen und deshalb so viele Sonnenflecken existieren?

 Und kommen die Sonnenflecken in Äqutornähe vor, weil sich die Sonne am Äquator schneller dreht und da das Magnetfeld stärker ist und es deshalb da auch mehr Magnetfeldlinien gibt und die dann rausstechen und sonnenflecken deshalb in Äquatornähe vorkommen? 

Und weil die Sonne sich ja am Äquator schneller dreht, kippt deshalb dss Magnetfeld und baut sich nach 11 Jahren wieder auf? 

Kommentar von pflanzengott ,

Mit dem "Rausstechen" von Magnetfeldlinien liegst du gar nicht so falsch. Wie schon erwähnt, tiefenabhängige differenzielle Rotation über mehrere Kugelschalen verdrillt die Feldlinien zusehends. Diese Verdrillung der Feldlinien durch die unterschiedlichen Plasmageschwindigkeiten führt zu magnetischen Störungen, die sich im Stern, an der Grenze von der Radiationszone zur Konvektionszone in sogenannten magnetischen Flussröhren zeigen. Diese Flussröhren erhalten eine Auftriebskraft. Sie steigen bis in die Photosphäre auf, und bilden dort Bereiche erhöhter magnetischer Feldstärke. In diesen Gebieten spielen sich letztlich die bekannten Aktivitätsphänomene ab.

Kommentar von Emmalarley ,

Und was hat das mit der umpolung der Sonne zu tun? 

Antwort
von Steffile, 20

Schau mal diesen Infographic an, der erklaert das ganz gut:

http://www.space.com/images/i/000/031/823/original/solar-magnetic-field-130809b-...

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