Das moderne Bild der Sonne - Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik

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Das moderne Bild der Sonne - Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik

Kiepenheuer-InstitutfurSonnenphysik(KIS) WWW:http://www.kis.uni-freiburg.de/ehw DasmoderneBildderSonne e-mail:hw@kis.uni-freiburg.de Schoneckstr.6,79104Freiburg HubertusWohl

ErdeundausdemWeltraumgewonnenwurden.BeispielefurdieBeobachtungsinstrumente EswerdeneinigetypischemoderneBilderderSonnegezeigt,diemitSonnenteleskopenaufder werdenebenfallsgegeben. Zusammenfassung

pagneamVTTwirdvorgestellt. amdeutschenVakuum-Turm-Telskop(VTT)aufTeneriagelegt.EinetypischeMesskam-

sieumgebendenWeltraumwirderlautert.DabeiwirdbesonderesGewichtaufdieMessungen AbschliessendwerdenBeobachtungenderSonnemitdenenvonSternenverglichen. DiederzeitigeVorstellunguberdenAufbauderSonneundihreWechselwirkungmitdem

'Umbra'(=Schatten)bezeichnet-undeinengrauenHofausradialenFasern-auchals auf,diebeiguterLuftruheeinetypischeSeparierungineinendunklenKern-auchals AbfallderHelligkeitvonderMittezumRandundaneinigenStellentretendunkleFlecken sindimsichtbarenLichtmeistensnurzweiPhanomeneerkennbar:DieScheibezeigteinen BeiProjektionderSonnemiteinemDurchmesserderSonnenscheibevonetwa10bis20cm BilderderSonneundvonSonnenteleskopen

'Penumbra'(=Halbschatten)bezeichnet-bestehen.MeistenstretendieSonneneckenin Gruppenauf.IhreAnzahlundFlachevariiertdeutlichvonTagzuTag,aberselbstinden derSonnenscheibebedeckt,wiediesinBild1zusehenist.Typischistnichtnur,dassdie SonneneckeninGruppenauftreten,sondernauch,dasssieinBandernparallelzumsolaren ZeitendesbisherhochstenbeobachtetenMaximums1956/57warnureinsehrgeringerTeil

Sonneneckengruppen,diegleichzeitigzusehensind,anfangszuunderreichtnachetwa5 FleckeninhohensolarenBreitenerneut.1 JahreneinMaximum.Nachetwa11Jahrenbeginntdieser'ZyklusderAktivitat'mitneuen DieBander,indenenSonneneckenauftreten,wandernvonsolarenBreitenvonetwa40 EsgibtExistenzzeitenderSonneneckenvonwenigenTagenbiszumehrerenMonaten. GradimLaufevonmehrerenJahrenzumAquatorderSonne.DabeinimmtdieAnzahlder AquatoraufderNord-undSudhemispharederSonneentstehenundwiederverschwinden.


lichtbevorzugtinProjektion-erlaubtes,dieauereSchichtderSonne,diePhotosphare Turm,Potsdam). DieBeobachtungderSonnemitdemAuge-wegenderGefahrendurchdashelleSonnen-

Bild1:GesamtansichtderSonnewahrendstarkerAktivitat,d.h.mitvielenSonneneckenim

strahltenEnergie.DiemittlereausgesandteEnergieentsprichtderStrahlungeines'schwarzen (=Lichtschicht)zusehen.AusihrstammtderuberwiegendeTeilderindenWeltraumabge-

bisherstarkstenbeobachtetenMaximum(Aufnahmevom8.7.1956gewonnenamEinsteinsionerscheinenkann,ergebensichstarkstrukturierteBildertenFarbendurchsehrschmalbandigeFilteristesmoglich,weitausmehrgroeundkleine

SchichtenderSonnenatmospharegebildetwirdundsowohlinAbsorptionalsauchinEmis-

Strukturenzusehen.SeitvielenJahrzehntenwirddaherdieAktivitatderSonneinderSpektralliniedesWasserstos(H)beobachtet(vgl.Bild2).DadieseSpektrallinieinhoheren

Strahlers'beieinerTemperaturvon5770Kelvin.BeiBeobachtungenderSonneinbestimm-

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Wasserstoinieaufgenommen(AufnahmedesKISgemachtmiteinemHilfsteleskopamVTT Bild2:GesamtansichtderSonnedurcheinschmalbandigesSpeziallterimLichtderroten am4.9.1998).

bestenatmospharischenBedingungenetwa200kmaufderSonneraumlichaufgelostwerden. sieinderRegelvieletausendKilometeruberdenAtlantikgewehtwurde.Sokonnenunter 2400mHoheuberdemErdbodenstehtundandererseitsistdieseLuftrechthomogen,weil umgebendeLuftzumSehstrahlderSonneisteinerseitsrelativdunn,weildasTeleskopin skope,wiedasVakuum-Turm-Teleskop(VTT).UmSchlierenbildungbeiderAbbildungdes SonnenlichtesimTeleskopzuvermeiden,istdiesesluftleer-alsoevakuiiert.DiedasTeleskop Sonnenphysiker,dieDetailsderSonneuntersuchen,benutzendazusehrgroespezielleTele-

InBild3wirddasGebaudedesVTTundinBild4DetailsderOptikaufdemTurmgezeigt. Sonnenscheibe. derSonneinH(Bild2)aufgenommenwurde.DiegroeGruppelagimunterenDrittelder InBild5isteinegroeSonneneckengruppezusehen,dieamselbenTagwiedasGesamtbild 3


Bild3:GebaudedesVakuum-Turm-Teleskops(VTT)aufTeneria.DiePlattformmitder Meeresspiegel. teilweisegeonetenKuppelbendetsich38muberdemErdbodenundca.2400muberdem

nung.DerCoelostatdientdazu,dasSonnenlichtstetsindasvertikalinstallierteTeleskopzu Fenster(indemelliptischenRinglinksderunterenBildmitte)indasevakuierteTeleskoprohr. gedrehtwird,dieparallelzurRotationsachsederErdeliegt.VoneinemzweitenPlanspiegel, lenken.DazufalltdasLichtzuerstaufdenplanenHauptspiegel(rechts),derumeineAchse deraufderSaule(links)gehaltertist,wirdesnachuntenreektiert.Esgelangtdurchein Bild4:CoelostatdesVTTmitdemPicodeTeide(3717m)imHintergrundin13kmEntfer-

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Bild5:GroeSonneneckengruppeaufgenommenamVTTam4.9.1998.Innerhalbderausge-

FureinfachesogenanntebipolareSonneneckengruppengibtesModelle,indenenwesentlicherTeileineMagnetfeldschleifeist,dieausderTiefederSonneaufsteigt.Dasseitknapp

Laufedes'magnetischenZyklus'durcheinen'Dynamo'sollabernachdenheutigenModellvorstellungenahnlichwiefurdasErdmagnetfeldfunktionieren.Wesentlichistdabei,dassdie

100JahrenbekannteMagnetfeldinSonneneckenhatmeistenseineStarke,diemehrals Gasmassenhandelt,dieihreEnergieabgeben.Innerhalbvon10MinutenistdasAussehen dieserGranulationsstrukturvollstandigverandert. genanntwird.SieiststandiginVeranderung,weilessichumaufsteigendeundabfallende beracheumdieSonneneckenwirddurcheinenetzartigeStrukturgepragt,dieGranulation dehntenPenumbraesindvielekleineundgroeUmbraezusehen.DieStrukturderSonneno-

tausendmaldiedesirdischenMagnetfeldesubersteigt.SeineEntstehungundUmpolungim

PenumbraeinderSonneneckengruppevonBild5vergegenwartigt,istklar,dasseineVorhersagederEntwicklungeinzelnerderartigerFleckengruppenderzeitnichtmoglichist.Solch

grossraumigeStromungszellenundausgedehnteMagnetfelder. 25TageundinPolnaheca.35TagefureinenUmlaufbenotigen.DieseRotationsformwird SonnengasenichtstarrumdieAchsederSonnerotieren,sondernamAquatorderSonneetwa als'dierentielleRotation'bezeichnet.IhrfolgennebendenGasenauchdieSonnenecken, nenrotationnichtmehraundbarwar-aberauchmonatelangimmerwiedernachweisbar eineGruppekannineinigenTagenverschwinden-wiedieobige,dieindernachstenSon-

seinḊieSchichten,indenendieEmissionundAbsorptiondesLichtesinderH-Liniegeschehenkann(vgl.Bild2),wirdChromosphare(=Farbschicht)genannt.DieTemperaturist

WennmansichdieschnellenVeranderungenderkomplexenStrukturderUmbraeund

raturaberschnellan,weshalbdieseauchUbergangszonegenanntwird.Inderdaraufnach kaumandersalsinderPhotosphare.AmoberenRandderChromospharesteigtdieTempe-

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auenfolgendenKorona,demStrahlenkranzderSonne,erreichtdieTemperaturbiszumehrerenMillionenKelvinunddieDichtenimmtweiterschnellab.DaheristdieHelligkeitder

wirddieKoronawahrendeinertotalenSonnennsternisgezeigt. KoronasehrgeringundwirdnormalerweisevonderSonneuberstrahlt.WirdaberdieSonne beitotalenSonnennsternissenvomMondabgedeckt,soistdieKoronasichtbar.InBild6

Bild6:KoronaderSonnewahrenddertotalenSonnennsternisam26.2.1998aufgenommen durchdenAutoraufGuadeloupe.DieSonneistdurchdenMondabgedeckt.Linksobenist demdunklenMondbildrotlicheEmissionenderProtuberanzenzusehensind. derPlanetMerkurunduntenderPlanetJupiterzusehen.DieOriginalvergroerungvom dassderHimmelnochdunkelblau(nichtschwarz)warundinderinnerenKoronaundauf FarbnegativbestatigtdenvisuellenEindruckdesAutorsbeimBeobachtenaufGuadeloupe, 6


Orten,durchdiederMondschattenbeieinertotalenSonnennsternisverlauft,gegenuber senangeregt.DabeisindvieleErkenntnisseuberdieSonnenatmospharegewonnenworden. AberauchdieBestatigungderAllgemeinenRelativitatstheoriedurchdieMessungderPositionsanderungenvonSternen,derenLichtinderSonnennahedurchdieMassederSonntelangSonnenphysikerzuExpeditionenindenKernschattenvontotalenSonnennsternis-

DasRatselderKoronamiteinerTemperaturvoneinigenMillionenKelvinhatjahrzehn-

abgelenktwurde,warenZielesolcherexpeditionen.WahrendheutedieErreichbarkeitvon fruherenJahrzehntensehrvereinfachtwordenist,hatsichdieastrophysikalischeBedeutung derSonnenbeobachtungenbeitotalenSonnennsternissenindenvergangenenJahrzehnten

auchaufderSonnenscheibe.GrunddafursinddieStrahlungenimextremenUltraviolett,die haben. SeiteinigenJahrzehntenistesmoglich,durchBeobachtungenausdemWeltraumdiedunne KoronaderSonnenichtnurdauerndgegendenWeltraumhintergrundzubeobachten,sondern siertwird,einbesonderesMedienereignis,wiewirinDeutschlandam11.8.1999festgestellt stetigverringert.AllerdingsistsieamjeweiligenOrt,dervomKernschattendesMondespas-

sowohlausderKoronaalsauchausruhigenundbesondersausAktivitatsgebietenaufder

gesandt.DiesesWeltraumobservatorium,daszwischenErdeundSonnemitderErdeumdie SeitseinemStartAnfangDezember1995hatdas'SolarandHeliosphericObservatory'(So- chungendauerndBilderderSonne,dieesmitmehrerenInstrumentenaufnimmt,zurErde Sonnenscheibezuempfangensind.DieUntersuchungderKoronaistseitJahrzehnteneines

Sonneumlauft-seinAbstandvonderErdebetragtetwa1500000km-kanndieSonneund HO)-eingemeinsamesProjektvonESAundNASA-mitnurwenigenMonatenUnterbre-

derHauptzielevonSatelliten,diezurErforschungderSonnedienen.

tenmeistensstort)-miteinemdutzendverschiedenerInstrumentevermessen.Damithates indenvergangenenJahrenwesentlicheneueDatenuberdieDetailvorgangeinderKorona, aberauchaufundinderSonnegesammelt. deninterplanetarenRaumohneUnterbrechungdurchdenErdschatten(wasbeiErdsatelli-

daskompletteWeltraumobservatoriumSoHOistinBild9zusehen. derzeitlicheVerlaufeinesMassenausbruchsindersolarenKoronaam15.1.1996gezeigtund InBild7wirdeinGesamtbildderSonneimextremenUltraviolettlichtgezeigt,inBild8wird

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Bild7:GesamtbildderSonneimextremenUltraviolettlichtbei19.5NanometerWellenlange aufgenommenmitdemInstumentEIT(=ExtremeultravioletImagingTelescope)aufSoHO (=SolarandHeliosphericObservatory)-betriebenvonESAundNASA-am11.9.1997.Um dieoberePolkappederSonnedehntsicheinkoronalesLochaus,indemnurwenigeStrahlen indenWeltraumgerichtetsind.AktivitatsgebietemitbipolarenMagnetfeldernsinddurch helleBogenverbunden.

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SoHO.DerkleineweieRingzeigtjeweilsdenSonnendurchmesser,dieschwareScheibedient spektrometischerKoronographmitWeitwinkel;davonsinddreiverschiedeneTypen)auf Bild8:DreiBildereinesMassenausbruchsinderKoronaam15.1.1996aufgenommenmit demInstrumentLASCO-C3(LargeAngleandSpectrometricCoronograph-C3,alsoetwa: zurAbdeckungvonStreulicht-wiederMondbeitotalenSonnennsternissen.Interessant ist,dasssichfastgleichzeitigeinAusbruchinderentgegengesetztenRichtungentwickelt. 9


inRadiowellenbeobachtetwerden.HiersindallerdingsbeiRoutinebeobachtungendieraumlichenAuosungenselbstbeiVerwendungsehrgroerParabolantennennurgering.

Bild9:DasSolarandHeliosphericObservatory(SoHO)vonESAundNASAimLaborvor demStart. Interessantist,dassdieoberstenSchichtenderChromosphareunddieuntereKoronaauch 10


EsistzumVerstandnisdesmodernenBildesderSonnenotig,sichauchmitdemHauptteil derSonnezubeschaftigen,denwirnichtdirektsehenkonnen-namlichdemSonneninneren: AufbauderSonne

teiledesSonnengases,namlichWasserstoundHelium.Ausersteremwirduberverschiedene Reaktionsprozesse,dienurbeisehrhohenTemperaturenablaufen,dasletzteredurchFusion imZentrumseinmussen.EntscheidendsinddiephysikalischenParameterderHauptbestand-

produziert.DieseKernfusionerzeugtsoungeheureEnergiemengen,dassdieSonneschon zehntenistsicher,wiedieEnergieinihrerzeugtwirdundwiediephysikalischenBedingungen durchdieSchwerkraftderGasmassenzusammengehaltenwird,abererstseiteinigenJahr-

Zwaristseitweituber100Jahrenbekannt,dassdieSonneeinheierGasballist,der

Sonnewesentlichverandernwerden. tunwird.ErstdanntretenandereBedingungenein,diedenAufbauunddasAussehender etwa5MilliardenJahresostrahlenkonnte,wiesiedasderzeittutundnochebensolange

noserzeugt.DieseElementarteilchen,diesehrwenigmitandererMaterieinWechselwirkung 70%desRadiuszugelangen,betragtetwa10MillionenJahre.Dennochwissenwir,dassdie Energiequanten.DiemittlereZeit,diedieEnergiebenotigt,umvonderQuellebisinetwa KernfusionauchheutenochinBetriebist,denneswerdenbeiderKernfusionauchNeutri-

Dichtenabgegeben.DiesgeschiehtdurchAbsorptionenundEmissionenhochenergetischer dieerzeugteEnergiealsStrahlungnachaueninBereichegeringererTemperaturenund DieKernreaktionenlaufennuriminnerenBereichderSonnenkugelab.Vondortwird

tretenunddaherdenSonnenradiusvonknapp700000kmunddenWegvonderSonnezur kerdieNeutrinosabernochnichtperfektkennen,gibteseineErklarung,dassNeutrinosauf demWegevonderSonnezurErdesichteilweiseinandereArtenvonNeutrinosumwandeln konnen,diebishernichtnachweisbarwaren.ExperimentelaufeneinerseitsdieEigenschaften haben,etwadreimalsovieleNeutrinos,wiegemessenwerden.DadieElementarteilchenphysieilen,konnenseiteinigenJahrzehntenaufderErdegemessenwerden.Allerdingsliefertdas

Erdevonetwa150MillionenkminLichtgeschwindigkeitunddamitinetwa8Minutendurch-

(etwadiemoglicheMasse)derNeutrinosgenauerzubestimmenundandererseitsalleArten vonderSonnestammenderNeutrinoswirklichnachzuweisen. StandardmodellderSonne,dasAstrophysikerimmerwiedermitneuenParameternoptimiert

desStandard-SonnenmodellsZweifelgelassen,abergleichzeitigwurdeeineandereVorhersagederSonnenphysikerbestatigt:SiehattenschonvorvielenJahrzehntengefunden,dassin

denauerenSchichtenderSonnenkugel(nochweitunterhalbderPhotosphare)dieMaterie-

obenabgebenunddanachabgekuhltwiederindieTiefezusinken.ZumVergleichdieses portstattmitStrahlungdurchaufsteigendeheieGasmassengeschieht,dieihreEnergie eigenschaftendurchdieAbkuhlungunddieVerdunnungsowerden,dassderEnergietrans-

Zwarhatdasgeschilderte'Neutrino-Problem'derSonnenphysikerlangeanderGultigkeit

Dickevonetwa20%desRadiusderSonne.DurcheineneueTechnik,beiderdieLaufzeiten Infrarotstrahlung.DerVorgangselberwirdKonvektiongenannt.InalterenModellender SonnehattedieKonvektionszone-mansprichtauchvonWassersto-Konvektionszone-eine VorgangskanndieEnergieverteilungineinemZimmerdurcheinenZentralheizungskorper herangezogenwerden,derjaauchmehrzurVerteilungderEnergiebeitragtalsdiedirekte 11


vonnaturlichenSchallwelleninderSonnegenutztwerden,konntedieTiefederKonvektionszonezufast30%bestimmtwerden.DieseMethode,aufdieweiternichteingegangen

wird,entsprichtderseismischenErforschungdesErdinneren,sieheitdaherentsprechend 'Helioseismologie'undistseitetwa30JahreneinwichtigesexperimentellesHilfsmittel,um dasSonneninnerezuerforschen. OberacheunddiedunneAtmospharedargestelltwurde,istinBild10ineinemSchnittbild zusammengefat. DaskompletteModellderSonne,wieesebenfurdeninnerenTeilunddavorfurdie

ster(6).NurmitspeziellenFilternsinddieChromosphare(7)unddieProtuberanzen(8)zu sehen.BeitotalenSonnennsternissenwirddieheisseKorona(9),deraussereTeilderSonnenatmosphare,imsichtbarenSpektralbereicherkennbar-ihreFormistvonderjeweiligen

PhaseimAktivitatszyklusderSonneabhangig(vgl.auchBild6)(Zeichnung:R.Brammer imAuftragdesKIS).

16MillionenKelvinEnergiedurchKernfusion(1)freigesetztundzunachstdurchStrahlung (2),danndurchKonvektion(3)nachaussentransportiert.InderPhotosphare(4),dersichtbarenOberachederSonne,werdenmeistensSonnenecken(5)undmitgutenoptischen

Bild10:SchnittbildderSonne:ImZentrumderSonnewirdbeieinerTemperaturvonfast TeleskopenundbeigutenatmospharischenBedingungendaswabenartigeGranulationsmu-

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sind.AndererseitsistdieEnergieausstrahlungderSonneindenWeltraum,dieauerhalbder ErdatmosphareinErdnaheetwa1.4KilowattproQuadratmeterbetragt,nichtkonstant:Der groenDetektor-sinddieSchwankungenstatistischgesehensehrgro,auchwennsiezufallig dergemessenenNeutrinosinAbhangigkeitvondersolarenAktivitatschwankt.DaaberderenZahlextremgeringist-manmisstetwaeinNeutrinovonderSonneproTagineinesamtenergieausstrahlungdesSonnenkernsgibt.EsgabzeitweiseDiskussionen,obdieZahl

DieallgemeinanerkannteVorstellungist,dasseskeinekurzfristigenSchwankungenderGe-

mehrereZehnerpotenzen.LangewurdevergeblichnachSchwankungenderGesamtstrahlung AnteilderextremenultraviolettenStrahlungschwanktmitdemAktivitatszyklusumbiszu gesucht.ErstmitderBeobachtungdurchSatellitenausdemWeltraumkonntendieSchwankungenderTransparenzderErdatmosphareausgeschaltetwerdenundzweiFaktengesichert

werden:WenngroeSonneneckendurchdieSichtliniezwischenErdeundSonnenkernrotieren,kanndieGesamtstrahlungderSonneumetwa1%abnehmen.Andererseitswarin

Mittelumetwa0.1%hoheralsimMinimumderAktivitat. denvergangenenAktivitatszyklendieGesamtstrahlungderSonneindenaktivenPhasenim wenigerEnergieab.WarumdiegesamteSonneinZeiten,wennsiemehrSonnenecken ler,weilsieumetwa2000KelvinkuhlersindalsdieUmgebungunddadurchstrahlensie Aktivitatsgebiete-starkerstrahlt.DennochistdasPhanomendervariablenAusstrahlung esverstarkthelle'Fackeln'gibtunddassdiekleinraumigeGranulation-insbesondereum aufweist,starkerstrahlterscheintdanachzuerstparadox.Esistaberso,dassdanneinerseitsStrahlungverstarktinultraviolettenBereichendesSpektrumsabgegebenwird,dass

DieErklarungfurdieStrahlungsreduktiondurchSonneneckenisteinfach:Siesinddunk-

inderMittedes17.JahrhundertsundendeteerstindenerstenJahrzehntendes18.Jahrhunderts.InastronomischenFachkreisenwirddieseZeitalsMaunder-Minimumbezeichnet,weil

derenglischeAstronomMaunderzuerstaufdiesesPhanomenhingewiesenhat.Daesver-

SpannendanandiesemVerhaltenderSonneistzudem,dasssieallepaarhundertJahre ihreregelmaigeAktivitatfasteinstelltundjahrelangdanngarkeineodernursehrwenige derSonnenochnichtendgultigverstanden. Sonneneckenzusehensind.DerletzteZeitraumausgepragtergeringerSonnenaktivitatbegannetwa40JahrenachderEntdeckungderSonneneckenmitTeleskopeninEuropa-also

DatensatzebenotigtundModelle,diedieWechselwirkungenphysikalischverstandlichmachen.DerzeithabenersteProgrammezurSammlungderhomogenenDatensatzebegonnen.

unterschiedlichenAuspragungender11-jahrigenAktivitatszyklenderSonne,diemitderPeriodenlangevonMinimumzuMinimumkorreliertsindauchindenOberachentemperaturen

derErdenachweisbarsind.ZurKlarungdieserVermutungenwerdenlangfristigehomogene geringerTemperaturenaufderErdeelen,suchtmannachWechselwirkungenzwischenden schiedeneErkenntnissegibt,dassdielanganhaltendenAktivitatspausenderSonneinZeiten

NichtzuletzthatdieErforschungderAktivitatsphasenauchBedeutungfurdiebemannte SonnenstrahlungsvariationenundunseremKlima.EinigeForscherglaubensogar,dassdie

taglicheBerichteuberEmissionenderSonneimTeilchen-undStrahlungsbereich. Weltraumfahrt.EsgibtdaherunterdemStichwortWeltraum-Wetter(='spaceweather') 13


derSonneinBetriebgenommen.EtwagleichzeitigwurdedieAuenstationinOrselinabei neuerrichtetedeutscheVakuum-Turm-Teleskop(VTT)furdiewissenschaftlicheErforschung LocarnoaneinenanderenTragerubergebenunddieAuenstationaufderInselCapriin VoretwaelfJahren,imFruhjahr1989,wurdedasinIza~naaufderkanarischenInselTeneria Italiengeschlossen.DerErrichtungdesneuenTeleskopswareineTestphaseverschiedener SonnenbeobachtungamVakuum-Turm-TeleskopaufTeneria

moglicherTeleskopstandorteimMittelmeerraumundimostlichenAtlantikvonEndeder 60erJahrebis1979vorangegangen,woransicheineinsgesamtetwa10-jahrigePhaseder

evakuiert.DasTeleskopisteinSpiegelteleskop,danurdamitinallenFarbengleichzeitigein imFalldesVTTderTurmetwa38mHoheundzusatzlichistdasInneredesTeleskops HoheindasTeleskopgeleitet.WieschoneingangserwahntundinBilderngezeigt,erreicht VerhandlungenunddesAufbausangeschlossenhatte.

scharfesBilderreichbarist.DieOnungdesVTTbetragt70cm,seineBrennweite46m.Ein istbeiBeobachtungenmitSonnenteleskopenwichtig,dakeinelokaleTurbulenzimSehstrahlentsteht:DahersindalleBauteileweigestrichenunddasSonnenlichtwirdingroer

NebendemgutenStandortmitgeringengroraumigenStorungeninderErdatmosphare

ebenfallssenkrechtaufgestellterSpektrographzurZerlegungdesLichtesindieSpektralfarben,erstrecktsichfunfStockwerketiefimFundamentdesGebaudes.ImerstenStockwerk

zurVerfugung.DieNutzungszeitgehtvertraglichzu20%andiespanischenKollegen,auf existierenzusatzlichLabors,indiedasSonnenbildabgebildetwerdenkann. derenGrunddasTeleskopstehtundzu5%aninternationaleAntragsgruppen.DierestlicheBeobachtungszeitteilensichmeistensGruppenvomKIS,derUniversitats-Sternwarte

vomMax-Planck-InstitutfurextraterrestrischePhysikinMunchen.Zusatzlichnehmenoft auslandischeKollegenalsGasteauchandeutschenProjektenteil.DadieAnzahlderBeob-

DasTeleskopstehtinderRegelvonAprilbisDezemberjedenJahresSonnenphysikern Gottingen,demAstrophysikalischenInstitutPotsdamundseitBeginndesJahres2000auch nutzbarenTageproProjektab:InderRegelbeobachteteinWissenschaftlerauseinemder achtungsantrageindenletztenJahrenkontinuierlichgestiegenistunddieProjekteimmer komplexerwerden,nimmtdieZahlderPersonenproBeobachtungsgruppezuunddieder

moglich,weildieDatentransferratedazuvielzugeringist.TypischeBilddatenmengenbei TechnikuberdasINTERNET.EineErfassungderBeobachtungsdatenistsoabernochnicht deutschenSonnenteleskopenbewahrthat,heutedurchdieUberwachungsmoglichkeitender auerstwichtig.ErleichtertwirddieserBetriebsmodus,dersichschonseitJahrzehntenan lungenderBetriebsassistentenundanwenderfreundlicheBedienungderkomplexenGerate Partner-InstituteetwazweimalproJahranzusammenetwa14TagenamVTT.

einemBeobachtungsprojektliegenbeimehrerenGigabytetaglich. DakeinTechnikeroderAstrophysikerpermanentvorOrtist,sindregelmaigeSchugebietewurdeschonimTextzuBild5hingewiesen.EinnochbesseraufgelostesBildder

SpektrendersolarenGranulation,alsoderGasballenvonca.1000kmDurchmesser,die Granulation,dasamVTTgewonnenwurdeundmitspeziellenBildrekonstruktionsverfahren uberallaufderSonnezubeobachtensind.AufBeispielederGranulationumAktivitats-

DasSchwergewichtderForschungenlagundliegtaufderErfassungvonZeitserienvon 14


optimiertwurde,zeigtBild11.

denenGranulengetrenntsind,sindvielfachSitzsehrkleinerhellerStrukturen,dortwerden DieVeranderungenderGranulenetwainderGestalt,TemperaturundderLagevonMakonstruktionsmethodenoptimiert.DieKreuzungspunktederdunklerenVerbindungen,vognetfelderndarinsindheuteinComputernsomodellierbar,dadiekunstlicheGranulationvonderbeobachtetenkaumzuunterscheidenist.SiebildenElementeinverschiedenen

lokalauchMagnetfeldergemessen(BildaufnahmeundRekonstruktiondurchC.Denker). Bild11:GranuleninruhigenGebietenderSonneaufgenommenamVTTundmitBildre-

Fleckenschnellanwachsenunddietypische'Penumbra'mitihrerradialen,fasrigenStruktur MagnetfelderundmankannderenStarkeundRichtungdurchAnalysederIntensitats-und PolarisationsverteilungindendortgebildetenSpektrallinienmessen.Warumabereinige istderenVerstandnisabernochunbefriedigend:DieSonneneckenenthaltenimmerstarke dieseDetailskannaberhiernichtweitereingegangenwerden. EswurdenundwerdennaturlichweiterhinSonneneckenimDetailbeobachtet.Insgesamt Stromungssysthemen,diealsMesogranulationundSupergranulationbezeichnetwerden.Auf

starkvariiert,nochunbefriedigendverstandenunddasheitheute,imComputernochnicht gutmodellierbar. Sonne,indem-wieobenschonerlautert-dieZahlundLagederSonneneckenaufderSonne nochungeklart.EbensosindVerlaufundDetailsdesetwa11-jahrigenAktivitatszyklusder ausbilden,wahrendanderenurkurzals'Poren'auftauchenundwiederverschwinden,ist

Parameterabgeleitet,wiedieGeschwindigkeitderbeobachtetenGaseoderdasMagnet- werdendieIntensitats-undPolarisationsverteilungenindenObjektenraumlichundspektral,d.h.inAbhangigkeitderWellenlangederStrahlung.Darauswerdendannphysikalische

vonBildernihrerForschungsobjekte-alsoetwaderGranulationoderderSonnenecken -uberwiegendzurFestlegungderOrtederBeobachtungaufderSonnedienen.Gemessen Hieristesangebracht,daraufhinzuweisen,dassfurdieSonnenphysikerdieAufnahmen

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-durchdenOptikerJosephvonFraunhofergenauvermessenundzurBestimmungvonBrechungseigenschaftenvonGlasernverwendetwurden.AusdentausendenvonSpektrallinien

Seit1996sindmehrereBeobachtungsprojekteamVTTparallelzudemSonnensatelliten SOHO(SOlarHeliosphericObservatory)durchgefuhrtworden-etwazurErforschungder ProtuberanzenoderSchwingungsvorgangeninderunterenKoronaundihreZusammenhange MeasurementsofEmittedRadiation;alsoetwa:MessungenemittierterStrahlungderSonne imUltravioletten)aufSoHOzeigen. mitErscheinungeninderPhotosphare.AuseinemeigenenProjekt,andemauchKollegen ausderSlowakeiundvomMax-Planck-InstitutfurAeronomiebeteiligtwaren,stammenBild 12undBild13,dieSpektrenvomVTTundvomInstrumentSUMER(=SolarUltraviolet

nachderEntdeckungdurchdenenglischenPhysikerWollastonAnfangdes19.Jahrhunderts feld.DieerwahntenSpektrallinienwerdenauchFraunhoferscheLiniengenannt,weilsie-

imSonnenspektrumwerdenjeweilsgeeignetefurdiephysikalischeFragestellunggewahlt.

lenlange,diedemElementEisenzuzuordnensind.DeutlichzusehensinddielokalenLini-

enverschiebungendurchdenDoppler-Eekt,dieuberwiegendGeschwindigkeitenderhellen schiebung)umjeweilseinbiszweiKilometerproSekundeanzeigen.Diescharfenhorizontalen aufderSonneabdecktundinhorizontalerRichtungWellenlangen.DerAusschnittzeigtals gezacktevertikaleBanderSpektrallinienimrotenFarbbereichbei649.4NanometerWelkalerRichtungSchnittedurchdiesolareGranulationineinemBereich,dereinige10000km

Bild12:SpektrumderGranulationimSonnenscheibenzentrumaufgenommenmitdemVTT am8.9.1996ineinerParallelbeobachtungmitSUMER(vgl.Bild13).Zusehensindinverti-

solchevondunklererIntergranulationvomBeobachterweg(langereWellenlangen,Rotver-

Elemente(Granulen)aufdenBeobachterzu(kurzereWellenlangen,Blauverschiebung)und 16


weienundschwarzenStrichestammenuberwiegendvonStaubpartikelnaufdemEintrittsspaltdesSpektrographen,dieinderDatenreduktionnichtvollstandigbeseitigtwurden.

DaswissenschaftlicheZielunsererParallelmessungenimSeptember1996war,abzuklaren,ob denaberindenJahren1998und1999weitereDatenmitoptimiertenParameternfurdas eineneindeutigenNachweisdurchlaufenderGeschwindigkeitsanomalienverhindert.Eswur-

InstrumentSUMERgesammelt,diederzeitausgewertetwerden. vertikalsichausbreitendeGeschwindigkeitsfelderausderoberenPhotosphareeineFortsetzunginderUbergangszoneundunterenKoronahaben.Leiderhabenbisherinstrumentelle

DriftsimInstrumentSUMER,dieumetwaeinenFaktorfunfgroeralserwartetauftraten,

erkennen.Deutlichistaber,dassdieHelligkeitsunterschiedezwischendeneinzelnenvom Bild13:SpektrumderselbenRegioninderSonnenscheibewieinBild12,aberaufgenommenimultraviolettenSpektralbereichbei104NanometerWellenlangemitdemInstrument

DatenfestzustellenunddieStrukturinBildelemente(pictureelements='pixels')istklarzu SUMERaufSoHO.DieSpektralliniensindhierEmissionslinien,diedenionisiertenAtomen vonSauerstoundKohlenstozuzuordnensind.WegendersehrvielgeringerenStrahlungsleistungundeineranderenDetektorartisteinerseitseinsehrvielgroeresRauschender

SpektrographenspaltgeschnittenenGebietenimultraviolettenSpektralbereichgroersind DasVTTwarursprunglichfurphotographischeBeobachtungengeplant,aberschoninder alsimsichtbarenSpektralbereich. AufbauphasewurdenersteHalbleiterdetektorenalsEmpfangergetestet.Heuteistschon einedritteGenerationsolcherDetektorenimEinsatz,derenBildelementebei20MikrometerGroeliegenunddiebiszu2048*2048einzelneBildelementeproKameraumfassen.

DieBelichtungszeitenfurBildersindeinigeMillisekunden,diefurSpektrenliegenbeietwa einerSekunde.InsbesonderewegendiesernochrechtlangenBelichtungszeitensindzusatzlicheBildstabilisierungenundManahmenderKorrekturrestlicherWellenfrontstorungen

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kleinerSonneneck.NochimJahr2000werdenSystemegetestet,diedieVerschmierungen einekontrastreicheStrukturaufderSonnevomDetektorerfasstwerdenkann,wieetwaein derLichtwellenfrontdurchdieAtmospharesogarinEchtzeitermoglichenwerden.KernsolcherAnlagensindsegmentierteSpiegeloderSpiegelmitindividuellsehrschnellverkippbaren

durchWind)undderrestlichenBildversetzungendurchWarmluftblasenmoglich-sofern DamitistschonjetzteineKorrektionvoninstrumentellemWackelndesTeleskops(etwa wichtig.Hierzuwerdenderzeitneueopto-elektronischeSystemefort-undneuentwickelt:

Bereichen,dievonStellelementendigitalgesteuertwerden.

einerSpektralliniegetaktet.SowerdensimultaneMessungendervollenSpektralparameterinzweidimensionalenGebietenaufderSonnemoglich,diedenengroerSonnenecken

DabeiwirdeinschmalerFilterbereichinwenigenSekundendurchdenvollenFarbbereich turenimSonnenbildmachenkonnte,wirdseiteinigenJahrendieErfassungzweidimensio-

mitdemetwaBild12gewonnenwurde,nureineneindimensionalenSchnittdurchStruk-

AuchbeiderSpektroskopiegibtesneueEntwicklungen:WahrendbisherderSpektrograph, nalerIntensitats-undGeschwindigkeitsfeldermittelsFabry-Perot-Systemendurchgefuhrt.

mitKollegenvomKISundvomAstrophysikalischenInstitutPotsdamwirdinBild14gegeben,dasentsprechendeBilddesuntersuchtenSonneneckesausderselbenSeriewirdinBilmeidlichenBildversetzungenindieserMezeiteineraumlicherAuosungvonunter1000km

15gezeigt. entsprechen.AllerdingsmuundkannderzeitnurdurchnachtraglicheKorrekturderunver-

erreichtwerden.EinBeispieleineserhaltenenGeschwindigkeitsfeldesauseinerKooperation

DatenergabensichausderMittelungvonWertenauseinerMessserie,dieetwa1.5Stunden metag,dem31.8.1999,nahezuimSonnenscheibenzentrumvermessenwurde.Diegezeigten Bild14:GeschwindigkeitsfeldinundumeinensymmetrischenSonneneck,deramAufnah-

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vonmehrerenKilometernproSekunde(sogenannte'Evershed-Stromung'). MeterproSekundevomBeobachterweg,dunklerkodierteBereicheentsprechendaufihnzu. densenkrechtenAufblick-aufansonstengemesseneGasbewegungenmitGeschwindigkeiten gezogenworden.HelleralsgraukodierteBereichebewegensichmitbiszueinigenhundert InteressantisthierdassymmetrischeGeschwindigkeitsfeldinderPenumbra-bedingtdurch dauerte.DerMittelwertderGeschwindigkeitimgesamtenFeldistvondeneinzelwertenab-

AusschnittssindbedingtdurchunzureichendeKorrektionderAufnahmefehler. Bild15:DaszuBild14gehorigeBilddesstabilenSonnenecksinderSonnenscheibenmitte am31.8.1999.DeretwakreisformigeAusschnittstammtauseinemGebiet,dessenDurchmesseretwademErdumfangentspricht.Aufhellungen-insbesondereamlinkenRanddephysikimmernocheinegroeBedeutungfurdieAstrophysik?

nachdemBeginnsystematischerSonnenbeobachtungendurchChr.Scheiner-dieSonnen-

AbschlieendzueinergelegentlichaufgeworfenenFrage:Warumhatheute-fast400Jahre wird.DahermusssiealsMusterfurdiezwei-unddreidimensionaleErforschungdienen.Dies DieSonneistunssovielnaheralsjederandereStern,dernuralsPunktquellebeobachtet Sonnen-undSternbeobachtungen-UnterschiedeundErganzungen

derLichtablenkungdurchdiegroenSternmassenhatdieSonneeinewichtigeRollegespielt TemperaturalsauchinderGroeundAktivitatnimmtsieeineMittelstellungein. istumsoeinfachermoglich,weilsieeinsotypischerSternist:SowohlinHelligkeitund AnstoeausderjahrzehntelangenMessungsolarerNeutrinoserfahren. undtutdiesheutenoch:DiederzeitigeNeutrinophysikhat-wiekurzerlautert-wesentlich BesondersfurdieGrundlagenfrageninderAstrophysik-wiederEnergieerzeugungund AberauchexotischeSternemitstarkenSternwindenoderextremerDichtesindmeistens 19


EntscheidendfurdieweiterenFortschritte,diedieSonnenphysikalsKernastrophysikalischer durchihreUnterschiedeundAhnlichkeitenmitderSonneentdecktworden:AuchdieSonne AstrophysikmitderSonnenphysik. hateinenSonnenwind-aufihnkonnteindieserDarstellungnurkurzeingegangenwerden Erkenntnissevoranbringenwerden,sindausmeinerSichtzweiMethoden,diebishernuram -undinihremZentrumeineDichte,diedievonWasserumeinenFaktorvonmehrals100 RandeErwahnungerfuhren: ubersteigt.SolieensichBeispieleanBeispielereihenfurdieWechselwirkungderallgemeinen

eineVergroerungderArbeitsgruppenfurdieAuswertungundPublikation.Schonheutesind derPolarisationszustandedervermessenenStrahlungkommen.Diesbedeutetdannpraktisch multanmessungeniminfrarotenSpektralbereich,RadiobereichunddiegenauereErfassung koordiniertenBeobachtungenetwamitdemVTTundSoHO.HinzuwerdenaberweitereSistrumentenundinunterschiedlichstenWellenlangenbereichenwirdinweitausumfangreicheremManotigwerden,alssiebisherbegonnenwurde.Typischsinddiegeschilderten

DieParallelbeobachtungenderselbenStrukturaufderSonnemitunterschiedlichenIn-

Landernbeteiligt. naleVorgangeinundaufderSonneberechenbarmachen,werdenauchzeitlicheSeriender anmeinenPublikationenofteinhalbesdutzendWissenschaftlerausbiszuvierverschiedenen Vorgangeimmerwichtiger.BisherwarenvomErdbodenvoneinerStationnurbiszumaximal11StundenBeobachtungszeitabdeckbar-wennmanextremeVerhaltnisseanderPolen

dieSonneneckengruppeinBild5-ubermehrereTageermoglichenkonnen.DieDatenserien ZugangzuMessseriengeben,dieetwaEntwicklungenvonkomplexenStrukturen-wieetwa derErdeausschliet.InternationaleKooperationundverbesserteBildrekonstruktionwird DadieinComputerngerechnetenModellemehrundmehrzeitabhangigedreidimensio-

ausdemWeltraumvonSoHOstehensowiesoimPrinzipohneUnterbrechungzurVerfugung. biszumAuosenzubeobachten-naturlichmindestensinderQualitatwieinBild5. dieeserlauben,SonneneckenohneUnterbrechungdurchdieSonnenrotationvomEntstehen multaneBeobachtungderSonnevonmindestensdreiWeltraumobservatorienausPositionen, DanksagungenundHinweise EinalterTraumdesAutorsmagnochJahrzehnteaufseineRealisierungwarten:Diesiterialzuverwenden.

DerAutordanktKollegenausverschiedenenInstitutionenfurdieMoglichkeit,ihrBildma-

konnensichInteressierteauchdirektandenAutorwenden-bevorzugtuberdieebenfalls tendesAutorszunden(vgl.Anschriftenfeldeingangs).BeiweiteremInformationsbedarf ForschungundAussenverbindungen.WeitereDetailssindauchindenpersonlichenWebsei-

AdressedesKISunter:http://www.kis.uni-freiburg.de-dannweiterunterOentlichkeit, auchaktuellesMaterialuberdieSonnenphysik.EinegeeigneteEinstiegsstelleistdieWeb- WorldWideWebinFarbenoderFalschfarbenanzusehen.DortndetderinteressierteLeser PraktischallevorstehendgegebenenBilder-aberauchvieleFilmsequenzen-sindim

eingangsgegebenee-mail-Adresse. 20

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