Supercomputer untersucht das Entstehen von Sonnenflecken

Eine Gruppe von Forschern prüft eine Hypothese vom oberflächennahen Ursprung von Sonnenflecken mit Hilfe eines Supercomputers.

15. Mai 2017


Das SPOTSIM-Projekt, das die Entstehung von Sonnenflecken untersucht, hat sich bei der Initiative PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe) erfolgreich um  Rechenzeit auf dem Supercomputer Mare Nostrum in Spanien beworben. Die vergebenen Ressourcen belaufen sich auf 20 Millionen CPU-Stunden; das entspricht einer Rechenzeit von etwa 500 Jahren auf einem normalen Laptop. Die Forschergruppe, zu der Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen und der Aalto-Universität in Finnland gehören, erhofft sich Erkenntnisse darüber, welche Rolle turbulente Plasmaflüsse im Inneren der Sonne bei der Entstehung von Sonnenflecken spielen.

Magnetische Flecke (weiß) in der Nähe der Sonnenoberfläche berechnet mithilfe von drei Modellen unterschiedlicher Größe. Beim größten Modell messen die Flecken etwa 20000 Kilometer, ihr Magnetfeld hat eine Stärke von etwa 3000 G. Das ist etwa 10000 Mal so stark wie das Magnetfeld der Erde.

Sonnenflecke sind dunkle Bereiche starker Magnetfeldstärke auf der sichtbaren Oberfläche der Sonne, der Photosphäre. Einem etwa elfjährigem Zyklus folgend überziehen diese Gebiete unseren Stern mal mehr, mal weniger zahlreich. In Phasen, in denen viele Sonnenflecke zu sehen sind, ist die Sonne besonders aktiv. Ein tieferes Wissen davon, wo und wie Sonnenflecken entstehen, könnte Wissenschaftlern helfen zu verstehen, welche Prozesse die Sonnenaktivität antreiben.

Derzeit gibt es zwei konkurrierende Modelle, die beschreiben, wie Sonnenflecke entstehen. Der einen Theorie zufolge bilden schmale, röhrenartige Strukturen am unteren Rand der Konvektionszone in einer Tiefe von 200.000 Kilometern die Grundbausteine der solaren Magnetfelder. Dort, wo die Röhren die Oberfläche der Sonne eruptiv durchbrechen, bilden sich Sonnenflecken.

„Dieses Modell berücksichtigt keine Turbulenzen", sagt Maarit Käpylä vom MPS und der Aalto Universität in Finnland. Im Modell, das Gegenstand des SPOTSIM-Projektes ist, nehmen die Forscher an, dass Sonnenflecke in der Nähe der Oberfläche unseres Sterns in der Konvektionszone entstehen. 

„In der Meteorologie geht man davon aus, dass Bereiche in der Erdatmosphäre mit niedrigem Druck durch Luftströmungen aus der Umgebung gefüllt werden. Wir glauben, dass es in der Konvektionszone der Sonne ähnliche Gebiete turbulenten und magnetischen Drucks gibt, die aufgrund des großflächigen Magnetfeldes verändert werden“, fügt Petri Käpylä vom Leibniz-Institut für Astrophysik in Deutschland und der Aalto-Universität hinzu. Als Folge kann das Plasma kollabieren, so dass die Stärke der Magnetfelder stellenweise zunimmt – und die Bildung von Sonnenflecken beginnen kann.

Die Simulationen, die zum Modellieren dieser Prozesse notwendigen sind, sind außergewöhnlich groß: Ein Datenwürfel in einer Simulation umfasst etwa 700 Gigabyte; eine Simulation erzeugt jeweils zehn Datenwürfel. Die SPOTSIM-Partner hoffen nun, mit Hilfe des Mare Nostrum Supercomputers neue Einsichten zu gewinnen.

Das neue Modell würde die Dynamo-Theorie der Sonne als Ganzes beeinflussen sowie das Verständnis, das wir von der Entstehung und Entwicklung des Sonnenmagnetfeldes haben. Wenn sie erfolgreich sind, könnten die Berechnungen ein Schritt in Richtung eines Gesamtbildes der Sonne sein, das Weltraumwetter und den Einfluss auf das Erdklima einschließt.

Zu den Teilnehmern des Projektes SPOTSIM (Spot-forming convection simulations) Petri Käpylä (Aalto Universität und Leibniz-Institut für Astrophysik (AIP) in Potsdam), Maarit Käpylä (Max-Planck-Institut für Solarsystemforschung und Aalto-Universität), Nishant Singh und Jörn Warnecke (Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung) sowie Axel Brandenburg (NORDITA und Universität von Colorado).




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