Wissenschaftliche Fragestellung und Ergebnisse

Sunrise lieferte Aufnahmen der Sonnenoberfläche mit bislang ungekannter Qualität. Dank Sunrise konnte die Sonnenoberfläche zum ersten Mal mit hoher räumlicher Auflösung auch im nahen ultravioletten Licht zwischen 200nm und 350 nm Wellenlänge untersucht werden, das vom Erdboden aus wegen der Absorption in der Ozonschicht praktisch nicht gemessen werden kann. Bei diesen Wellenlängen werden auch kleine Temperaturschwankungen innerhalb der Konvektionsströmungen mit sehr hohem Intensitätskontrast sichtbar. Damit lassen sich unsere theoretischen magnetohydrodynamischen Modelle der Photosphäre auf eine solide experimentelle Grundlage abstützen. Der bisher weitgehend unerforschte Bereich des nahen Ultraviolett ist aber vor allem wichtig in Hinblick auf die Wirkung der schwankenden Sonnenaktivität auf die Heizung der Stratosphäre - mit möglichen Auswirkungen auf die Klimaentwicklung.

Eine der großen Überraschungen, die die Sunrise Daten bereithielten, ist die enorme Dynamik der Granulation selbst auf kleinsten Skalen: ”Wirbelstürme” und Strudel sind in den Daten deutlich zu sehen und treten in wesentlich höherer Rate auf als in früheren Studien beschrieben. Die turbulenten konvektiven Gasströmungen sind auch der Ursprung akustischer Wellen, deren Frequenzspektrum mehrere Größenordnungen überstreicht. Während langsame Wellen mit Perioden über 3 Minuten an der oberen Grenze der Photosphäre reflektiert werden und zu stehenden Wellenmustern führen (den berühmten p-Moden, durch deren Analyse Erkenntnisse über die innere Struktur der Sonne erhalten werden können; eine Technik, die in Analogie zur irdischen Seismologie Helioseismologie genannt wird), können kurzperiodische Wellen in die oberen Schichten der Sonnenatmosphäre, die sog. Chromosphäre eindringen, wo sie ihre Energie an das dortige Gas verlieren. Die Frage, warum die Chromosphäre heißer ist als die darunter liegende Photosphäre, ist bis heute nicht abschließend geklärt. Könnten diese Wellen hier eine entscheidende Rolle spielen?

Dank der enormen räumlichen Auflösung der Sunrise Daten konnte der akustische Energiefluss mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen werden: Es zeigt sich, dass mehr als die Hälfte der Energie, die die heiße Chromosphäre an Strahlungsverlusten erleidet, in Form von akustischen Wellen bereitgestellt wird. Dieses Ergebnis ist überraschend, obwohl dieser Mechanismus schon vor fast 40 Jahren theoretisch beschrieben wurde. Aber aufgrund der mangelnden Qualität früherer Beobachtungen unterschätzte man die Effizienz der akustischen Heizung der Chromosphäre lange Zeit.

In den als dunkle Bereiche innerhalb des Granulations-musters sichtbaren ”intergranular lanes” bilden sich durch Selbstverstärkungseffekte Magnetfeldschläuche mit Durchmessern von unter 100 km, aber sehr hohen Feldstärken: Das Magnetfeld dort ist über 5000-mal stärker als das Erdmagnetfeld an den magnetischen Polen. Diese Grundbausteine des solaren Magnetfeldes sind schon vor fast 40 Jahren vorhergesagt worden, konnten aber bisher nur sehr eingeschränkt und indirekt nachgewiesen werden. Sunrise konnte nun zum ersten Mal solche magnetischen Flussröhren direkt nachweisen, wobei auch der theoretisch zu erwartende Temperaturanstieg innerhalb dieser magnetischen Schläuche sichtbar wurde. Dieses wichtige Ergebnis wird dazu beitragen, den Zusammenhang zwischen magnetischer Aktivität der Sonne und ihrer Gesamtaustrahlungsleistung zu verstehen, die für den vermutlichen Einfluss der Sonne auf unser Klima verantwortlich zeichnet.

Da die typische Lebensdauer der konvektiven Zellen nur einige Minuten beträgt, ist das Magnetfeld extrem dynamisch und in ständiger Entstehung, Umwandlung und Vernichtung. Der pro Zeiteinheit an die Oberfläche tretende magnetische Fluss, der mithilfe des Instruments IMaX auf Sunrise vermessen werden konnte, ist um zwei Größenordnungen höher als bisher bekannt, was bestätigt, dass die meisten magnetischen Bausteine auf sehr kleinen Skalen versteckt sind.

Erste Bilder von den SUNRISE-Instrumenten. Die Aufnahmen zeigen jeweils den gleichen kleinen Ausschnitt der Sonnenoberfläche (etwa 1/20000 der Gesamtfläche). Links außen: SuFI-Bild bei 300 nm Wellenlänge (UV-Licht); Mitte links: SuFI-Bild bei 397 nm Wellenlänge in einer Spektrallinie des ionisierten Kalziums; Mitte rechts: IMaX-Bild bei 525 nm Wellenlänge (sichtbares Licht); rechts außen: IMaX-Karte des vertikalen Magnetfelds. Die Farbskala reicht von Blau (nach innen gerichtetes starkes Magnetfeld) über Türkis (sehr schwaches Feld) bis Rot (nach außen gerichtetes starkes Feld). Die Grundstruktur der Intensitätsbilder zeigt das Muster der aufsteigenden hellen heißen Gasblasen und dunklen kühlen Abströmungen, welche die Energie aus dem Sonneninnern nach außen transportieren. Der Vergleich zwischen den Intensitätsbildern und der magnetischen Karte zeigt, dass den hellen Punkten mit Durchmessern von ca. 100 km, die besonders gut in den SuFi-Bildern zu erkennen sind, Gebiete mit starkem Magnetfeld entsprechen. Magnetfeld findet sich jedoch auch an vielen anderen Stellen der Oberfläche.

Obwohl die einzelnen magnetischen Bausteine sehr klein sind, haben sie in ihrer Gesamtheit einen entscheidenden Einfluss auf die Struktur der solaren Atmosphäre. Das zeigt sich auch in Aufnahmen der unteren Chromosphäre, die das Instrument SuFI im nahen ultravioletten Bereich des Sonnenspektrums aufnehmen konnte. Dort kann man dank der hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung der Daten im Detail zusehen, wie die Bewegungen der magnetischen Feldschläuche in der unteren Atmosphäre zu sehr kurzlebigen und lokalen Temperaturanstiegen in den oberen Schichten führen. Ein wichtiger Schritt auf unserem Weg zum Verständnis, wie genau die Magnetfeldschläuche auf der Sonne die einzelnen Stockwerke der Sonnenatmosphäre miteinander vernetzen.

Auch wenn die Aufnahmen, die Sunrise von der Sonnenoberfläche machte, nur einen winzigen Detailausschnitt aus der Sonne zu zeigen scheinen, so stellen sie doch lange gesuchte Puzzleteile dar, die schon jetzt entscheidend dazu beigetragen haben, unser Gesamtbild der Sonne immer weiter zu vervollständigen.

Die Daten des zweiten Sunrise-Fluges im Juni 2013 werden noch bearbeitet und ausgewertet. Wir erwarten weitere spannende Einblicke in die Geheimnisse der Sonne.

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