Sonnenzyklus - Solar cycle

Liniendiagramm, das die historische Anzahl der Sonnenflecken, Maunder- und Dalton-Minima und das moderne Maximum zeigt
400 Jahre Sonnenfleckengeschichte, einschließlich des Maunder-Minimums
„Die Vorhersage für den Sonnenflecken-Zyklus 24 ergab im Spätsommer 2013 ein Maximum der geglätteten Sonnenfleckenzahl von etwa 69. Die geglättete Sonnenfleckenzahl erreichte im August 2013 68,9, das offizielle Maximum war also mindestens so hoch. Die geglättete Sonnenfleckenzahl stieg daraufhin wieder an zweite Spitze in den letzten fünf Monaten des Jahres 2016 und übertraf das Niveau der ersten Spitze (66,9 im Februar 2012). Viele Zyklen haben doppelte Spitzen, aber dies ist die erste, in der die zweite Spitze in der Anzahl der Sonnenflecken größer war als die erste. Dies war über fünf Jahre in Zyklus 24. Die vorhergesagte und beobachtete Größe machte dies zum kleinsten Sonnenfleckenzyklus seit Zyklus 14, der im Februar 1906 ein Maximum von 64,2 hatte."

Der Sonnenzyklus oder Solar-magnetischer Aktivitätszyklus ist ein nahezu periodischer 11-Jahres - Wechsel in dem Sun - Aktivität ist gemessen an den Schwankungen in der Anzahl der beobachteten Sonnenflecke auf der Sonnenoberfläche. Sonnenflecken werden seit dem frühen 17. Jahrhundert beobachtet und die Sonnenflecken-Zeitreihe ist die längste kontinuierlich beobachtete (aufgezeichnete) Zeitreihe aller Naturphänomene.

Das Magnetfeld der Sonne dreht sich während jedes Sonnenzyklus, wobei der Flip auftritt, wenn der Sonnenfleckenzyklus nahe seinem Maximum ist. Die Höhe der Sonnenstrahlung und der Ausstoß von Sonnenmaterial, die Anzahl und Größe der Sonnenflecken , Sonneneruptionen und koronalen Schleifen zeigen alle eine synchronisierte Schwankung von aktiv über ruhig zu wieder aktiv mit einem Zeitraum von 11 Jahren.

Dieser Zyklus wird seit Jahrhunderten durch Veränderungen im Aussehen der Sonne und durch terrestrische Phänomene wie Polarlichter beobachtet . Sonnenaktivität, die sowohl vom Sonnenfleckenzyklus als auch von vorübergehenden aperiodischen Prozessen angetrieben wird, bestimmt die Umgebung der Planeten des Sonnensystems, indem sie Weltraumwetter erzeugt und weltraum- und bodenbasierte Technologien sowie die Erdatmosphäre und möglicherweise auch Klimaschwankungen auf einer Skala von Jahrhunderten und . beeinflusst länger.

Das Verständnis und die Vorhersage des Sonnenfleckenzyklus bleibt eine der großen Herausforderungen in der Astrophysik mit großen Auswirkungen auf die Weltraumforschung und das Verständnis magnetohydrodynamischer Phänomene anderswo im Universum.

Entwicklung des Magnetismus auf der Sonne.

Definition

Sonnenzyklen haben eine durchschnittliche Dauer von etwa 11 Jahren. Solarmaximum und Solarminimum beziehen sich auf Zeiträume mit maximalen und minimalen Sonnenfleckenzahlen. Zyklen erstrecken sich von einem Minimum zum nächsten.

Beobachtungsgeschichte

Samuel Heinrich Schwabe (1789–1875). Deutscher Astronom, entdeckte den Sonnenzyklus durch ausgedehnte Beobachtungen von Sonnenflecken
Rudolf Wolf (1816–1893), Schweizer Astronom, führte historische Rekonstruktionen der Sonnenaktivität bis ins 17. Jahrhundert zurück

Sonnenflecken wurden erstmals um 1609 von Galileo Galilei, Christoph Scheiner und Zeitgenossen systematisch beobachtet. Der Sonnenzyklus wurde 1843 von Samuel Heinrich Schwabe entdeckt , der nach 17 Jahren Beobachtung eine periodische Variation der durchschnittlichen Anzahl von Sonnenflecken feststellte . Schwabe ging jedoch Christian Horrebow voraus,  der 1775 schrieb: "Es scheint, dass sich das Erscheinen der Sonne im Laufe einer bestimmten Anzahl von Jahren hinsichtlich der Anzahl und Größe der Flecken wiederholt" basierend auf seinen Beobachtungen der Sonne ab 1761 vom Observatorium Rundetaarn in Kopenhagen. Rudolf Wolf sammelte und studierte diese und andere Beobachtungen, rekonstruierte den Zyklus bis ins Jahr 1745 zurück und führte diese Rekonstruktionen schließlich zu den frühesten Beobachtungen von Sonnenflecken durch Galilei und Zeitgenossen im frühen 17. Jahrhundert.

Nach Wolfs Nummerierungsschema ist der Zyklus 1755-1766 traditionell mit "1" nummeriert. Wolf hat einen Standardindex für die Anzahl der Sonnenflecken erstellt, den Wolf-Index, der bis heute verwendet wird.

Die Zeit zwischen 1645 und 1715, eine Zeit mit wenigen Sonnenflecken, ist als Maunder-Minimum bekannt , nach Edward Walter Maunder , der dieses eigentümliche Ereignis ausführlich erforschte, zuerst von Gustav Spörer bemerkt .

In der zweiten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts haben Richard Carrington und Spörer unabhängig voneinander das Phänomen des Auftretens von Sonnenflecken auf verschiedenen Sonnengraden in verschiedenen Phasen des Zyklus festgestellt.

Die physikalischen Grundlagen des Zyklus wurden von George Ellery Hale und Mitarbeitern aufgeklärt , die 1908 zeigten, dass Sonnenflecken stark magnetisiert sind (der erste Nachweis von Magnetfeldern außerhalb der Erde). 1919 zeigten sie, dass die magnetische Polarität von Sonnenfleckenpaaren:

  • Ist während eines Zyklus konstant;
  • Ist über den Äquator während eines Zyklus entgegengesetzt;
  • Kehrt sich von einem Zyklus zum nächsten um.

Hales Beobachtungen zeigten, dass der komplette magnetische Zyklus zwei Sonnenzyklen oder 22 Jahre umfasst, bevor er in seinen ursprünglichen Zustand (einschließlich Polarität) zurückkehrt. Da fast alle Erscheinungsformen polaritätsunempfindlich sind, bleibt der „11-jährige Sonnenzyklus“ im Fokus der Forschung; Die beiden Hälften des 22-Jahres-Zyklus sind jedoch typischerweise nicht identisch: Die 11-Jahres-Zyklen wechseln normalerweise zwischen höheren und niedrigeren Summen der Wolfs Sonnenfleckenzahlen (die Gnevyshev-Ohl-Regel ).

1961 stellte das Vater-Sohn-Team von Harold und Horace Babcock fest, dass der Sonnenzyklus ein raumzeitlicher magnetischer Prozess ist, der sich über die Sonne als Ganzes entfaltet. Sie beobachteten, dass die Sonnenoberfläche außerhalb von Sonnenflecken magnetisiert ist, dass dieses (schwächere) Magnetfeld ein Dipol erster Ordnung ist und dass dieser Dipol mit der gleichen Periode wie der Sonnenfleckenzyklus Polaritätsumkehrungen erfährt. Das Babcock-Modell von Horace beschrieb das oszillierende Magnetfeld der Sonne mit einer quasi-stationären Periodizität von 22 Jahren. Es befasste sich mit dem oszillatorischen Energieaustausch zwischen toroidalen und poloidalen solaren Magnetfeldbestandteilen.

Zyklusverlauf

Rekonstruktion der Sonnenaktivität über 11.400 Jahre.

Sonnenflecke in den letzten 11.400 Jahren rekonstruiert wurde unter Verwendung von Kohlenstoff-14 - basierter Dendroklimatologie . Das Niveau der Sonnenaktivität ab den 1940er Jahren ist außergewöhnlich – die letzte Periode ähnlicher Größenordnung ereignete sich vor etwa 9.000 Jahren (während der warmen borealen Periode ). Die Sonne befand sich in den letzten 11.400 Jahren nur für ~10% der letzten 11.400 Jahre auf einem ähnlich hohen magnetischen Aktivitätsniveau. Fast alle früheren Phasen hoher Aktivität waren kürzer als die aktuelle Episode. Fossile Aufzeichnungen deuten darauf hin, dass der Sonnenzyklus seit mindestens 700 Millionen Jahren stabil war. Zum Beispiel wird die Zykluslänge im frühen Perm auf 10,62 Jahre geschätzt und ähnlich im Neoproterozoikum .

In Radiokarbon aufgezeichnete Sonnenaktivitätsereignisse. Aktueller Zeitraum ist auf der rechten Seite. Werte seit 1900 nicht dargestellt.
Wichtige Ereignisse und ungefähre Daten
Vorfall Start Ende
Homerisches Minimum 750 v. Chr. 550 v. Chr.
Oort Minimum 1040 CE 1080 CE
Mittelalterliches Maximum 1100 1250
Wolfsminimum 1280 1350
Spörer-Minimum 1450 1550
Maunder-Minimum 1645 1715
Dalton-Minimum 1790 1820
Modernes Maximum 1914 2008
Modernes Minimum 2008 -

Bis 2009 wurde angenommen, dass 28 Zyklen die 309 Jahre zwischen 1699 und 2008 überspannt haben, was einer durchschnittlichen Länge von 11,04 Jahren entspricht, aber die Forschung zeigte dann, dass der längste dieser Zyklen (1784–1799) tatsächlich zwei Zyklen waren. Dann würde die durchschnittliche Länge nur etwa 10,7 Jahre betragen. Seit Beginn der Beobachtungen wurden Zyklen von nur 9 Jahren und sogar 14 Jahren beobachtet, und wenn der Zyklus von 1784 bis 1799 doppelt so lang ist, musste einer der beiden Teilzyklen weniger als 8 Jahre lang sein. Es treten auch erhebliche Amplitudenschwankungen auf.

Es existiert eine Liste historischer "großer Minima" der Sonnenaktivität.

Letzte Zyklen

Zyklus 25

Der Sonnenzyklus 25 begann im Dezember 2019. Für den Sonnenfleckenzyklus 25 wurden mehrere Vorhersagen auf der Grundlage verschiedener Methoden gemacht, die von sehr schwach bis stark reichen. Eine physikbasierte Vorhersage, die sich auf die datengetriebenen Solardynamo- und Solar Surface Flux Transport Models von Bhowmik und Nandy (2018) stützt, scheint die Stärke des solaren Polarfelds bei den aktuellen Minima korrekt vorhergesagt zu haben und sagt eine schwache, aber nicht unbedeutende Solar vorher Zyklus 25 ähnlich oder etwas stärker im Vergleich zu Zyklus 24. Insbesondere schließen sie die Möglichkeit aus, dass die Sonne im nächsten Jahrzehnt in einen Maunder-Minimum-ähnlichen (inaktiven) Zustand verfällt. Ein vorläufiger Konsens durch ein Solar Cycle 25 Prediction Panel wurde Anfang 2019 erzielt. Das Panel, das vom Space Weather Prediction Center (SWPC) der NOAA und der NASA organisiert wurde , kam auf der Grundlage der veröffentlichten Vorhersagen des Solar Cycle 25 zu dem Schluss, dass Solar Cycle 25 dem Sonnenzyklus 24 sehr ähnlich. Sie erwarten, dass das Minimum des Sonnenzyklus vor Zyklus 25 lang und tief sein wird, genau wie das Minimum vor Zyklus 24. Sie erwarten, dass das Sonnenmaximum zwischen 2023 und 2026 mit einem Sonnenfleckenbereich von 95 bis 130 auftritt , angegeben in Bezug auf die revidierte Sonnenfleckenzahl.

Zyklus 24

Der Sonnenzyklus begann am 4. Januar 2008 mit minimaler Aktivität bis Anfang 2010. Der Zyklus wies ein Sonnenmaximum mit "doppelter Spitze" auf . Der erste Höchststand erreichte 2011 99 und der zweite Anfang 2014 101. Zyklus 24 endete im Dezember 2019 nach 11,0 Jahren.

Zyklus 23

Dieser Zyklus dauerte 11,6 Jahre, beginnend im Mai 1996 und endete im Januar 2008. Die während des Sonnenzyklus beobachtete maximale geglättete Sonnenfleckenzahl (monatliche Anzahl von Sonnenflecken gemittelt über einen Zeitraum von zwölf Monaten) betrug 120,8 (März 2000), und das Minimum betrug 1.7. Insgesamt 805 Tage hatten während dieses Zyklus keine Sonnenflecken.

Phänomene

Da der Sonnenzyklus die magnetische Aktivität widerspiegelt, folgen dem Sonnenzyklus verschiedene magnetisch angetriebene Sonnenphänomene, darunter Sonnenflecken und koronale Massenauswürfe.

Sonnenflecken

Eine Zeichnung eines Sonnenflecks in den Chroniken von John of Worcester , Ca. 1100.

Die scheinbare Oberfläche der Sonne, die Photosphäre, strahlt aktiver, wenn mehr Sonnenflecken vorhanden sind. Die Satellitenüberwachung der Sonnenleuchtkraft ergab eine direkte Beziehung zwischen dem Schwabe-Zyklus und der Leuchtkraft mit einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude von etwa 0,1%. Die Leuchtkraft nimmt auf einer 10-Tage-Zeitskala um bis zu 0,3 % ab, wenn große Gruppen von Sonnenflecken über das Erdbild rotieren, und nimmt aufgrund von Faculae, die mit großen Sonnenfleckengruppen verbunden sind, bis zu 6 Monate lang um bis zu 0,05 % zu .

Die besten Informationen stammen heute von SOHO (ein Kooperationsprojekt der Europäischen Weltraumorganisation und der NASA ), wie zum Beispiel das MDI- Magnetogramm , wo das solare "Oberflächen" -Magnetfeld zu sehen ist.

Zu Beginn jedes Zyklus erscheinen Sonnenflecken in mittleren Breiten und bewegen sich dann immer näher zum Äquator, bis ein Sonnenminimum erreicht ist. Dieses Muster lässt sich am besten in Form des sogenannten Schmetterlingsdiagramms visualisieren. Die Bilder der Sonne werden in Breitenstreifen unterteilt, und der monatliche Durchschnitt der Sonnenfleckenfläche wird berechnet. Dies wird vertikal als farbcodierter Balken aufgetragen und der Vorgang wird Monat für Monat wiederholt, um dieses Zeitreihendiagramm zu erstellen.

Diese Version des Sonnenflecken-Schmetterlingsdiagramms wurde von der Solargruppe des NASA Marshall Space Flight Center konstruiert. Die neueste Version finden Sie unter solarcyclescience.com

Während sich Magnetfeldänderungen auf Sonnenflecken konzentrieren, erfährt die gesamte Sonne analoge Änderungen, wenn auch von geringerer Größenordnung.

Zeit-Sonnen-Breitengrad-Diagramm der radialen Komponente des Sonnenmagnetfeldes, gemittelt über aufeinanderfolgende Sonnenrotationen. Die "Schmetterlings"-Signatur von Sonnenflecken ist in niedrigen Breiten deutlich sichtbar. Diagramm, das von der Solargruppe des NASA Marshall Space Flight Center erstellt wurde. Die neueste Version finden Sie unter solarcyclescience.com

Koronaler Massenauswurf

Das Sonnenmagnetfeld strukturiert die Korona und verleiht ihr ihre charakteristische Form, die bei Sonnenfinsternissen sichtbar ist. Komplexe koronale Magnetfeldstrukturen entwickeln sich als Reaktion auf Flüssigkeitsbewegungen an der Sonnenoberfläche und das Entstehen von magnetischem Fluss, der durch Dynamowirkung im Sonneninneren erzeugt wird. Aus noch nicht im Detail verstandenen Gründen verlieren diese Strukturen manchmal ihre Stabilität, was zu koronalen Massenauswürfen in den interplanetaren Raum oder zu Flares führt , die durch plötzliche lokale Freisetzung von magnetischer Energie verursacht werden, die die Emission von ultravioletter und Röntgenstrahlung sowie energetischen Teilchen antreibt. Diese eruptiven Phänomene können einen erheblichen Einfluss auf die obere Atmosphäre und die Weltraumumgebung der Erde haben und sind die Hauptursachen für das, was heute als Weltraumwetter bezeichnet wird .

Die Häufigkeit des Auftretens von koronalen Massenauswürfen und Flares wird stark durch den Zyklus moduliert. Flares jeder gegebenen Größe sind im Sonnenmaximum etwa 50-mal häufiger als im Minimum. Große koronale Massenauswürfe treten im Durchschnitt einige Male am Tag beim Sonnenmaximum auf, bis hin zu einem alle paar Tage beim Sonnenminimum. Die Größe dieser Ereignisse selbst hängt nicht empfindlich von der Phase des Sonnenzyklus ab. Ein typisches Beispiel sind die drei großen Eruptionen der X-Klasse, die im Dezember 2006 nahe dem Sonnenminimum auftraten; ein X9.0-Flare am 5. Dezember gilt als eines der hellsten, das es je gab.

Muster

Ein Überblick über drei Sonnenzyklen zeigt die Beziehung zwischen dem Sonnenfleckenzyklus, der galaktischen kosmischen Strahlung und dem Zustand unserer raumnahen Umgebung.

Der Waldmeier-Effekt bezeichnet die Beobachtung, dass Zyklen mit größeren maximalen Amplituden tendenziell weniger Zeit brauchen, um ihre Maxima zu erreichen als Zyklen mit kleineren Amplituden; maximale Amplituden sind negativ mit den Längen früherer Zyklen korreliert, was die Vorhersage unterstützt.

Solare Maxima und Minima weisen auch Schwankungen auf Zeitskalen auf, die größer sind als Sonnenzyklen. Zunehmende und abnehmende Trends können sich über einen Zeitraum von einem Jahrhundert oder länger fortsetzen.

Der Schwabe-Zyklus gilt als Amplitudenmodulation des 87-jährigen (70-100-jährigen) Gleissberg- Zyklus, benannt nach Wolfgang Gleißberg. Der Gleissberg-Zyklus implizierte, dass der nächste Sonnenzyklus im Jahr 2010 eine maximale geglättete Sonnenfleckenzahl von etwa 145 ± 30 hat (stattdessen lag 2010 kurz nach dem Sonnenminimum des Zyklus) und der folgende Zyklus im Jahr 2023 ein Maximum von etwa 70 ± 30 hat.

Assoziierte hundertjährige Variationen der Magnetfelder in der Korona und Heliosphäre wurden anhand von kosmogenen Isotopen aus Kohlenstoff-14 und Beryllium-10, die in terrestrischen Reservoirs wie Eisschilden und Baumringen gespeichert sind, und durch historische Beobachtungen der geomagnetischen Sturmaktivität , die die Zeitlücke überbrücken, nachgewiesen zwischen dem Ende der nutzbaren kosmogenen Isotopendaten und dem Beginn moderner Satellitendaten.

Diese Variationen wurden reproduziert erfolgreich Modelle verwenden , die magnetische Flusskontinuitätsgleichungen und beobachteten sunspot Nummern verwenden , um das Hervortreten des Magnetflusses von der Spitze der Sonnenatmosphäre zu quantifizieren und in die heliosphere , die zeigen , dass sunspot Beobachtungen geomagnetischen Aktivität und kosmogenen Isotopen bieten eine konvergente Verständnis der Sonnenaktivitätsschwankungen.

2.300 Jahre Hallstatt-Sonnenvariationszyklen.

Hypothetische Zyklen

Es wurde eine Periodizität der Sonnenaktivität mit Perioden, die länger als der Sonnenfleckenzyklus von etwa 11 (22) Jahren sind, vorgeschlagen, einschließlich:

Der 210-jährige Suess-Zyklus (auch bekannt als "de Vries-Zyklus", benannt nach Hans Eduard Suess bzw. Hessel de Vries ) wird aus Radiokarbonstudien aufgezeichnet, obwohl in der 400-jährigen Sonnenfleckenaufzeichnung "wenig Beweise für den Suess-Zyklus" auftauchen.

Der Hallstatt-Zyklus (benannt nach einer kühlen und nassen Periode in Europa, als die Gletscher vorrückten ) wird sich voraussichtlich über etwa 2.400 Jahre erstrecken.

Ein noch unbenannter Zyklus kann sich über 6.000 Jahre erstrecken.

In Kohlenstoff-14 wurden Zyklen von 105, 131, 232, 385, 504, 805 und 2.241 Jahren beobachtet, möglicherweise übereinstimmende Zyklen aus anderen Quellen. Damon und Sonett schlugen mittel- und kurzfristige Variationen von Zeiträumen von 208 und 88 Jahren auf der Grundlage von Kohlenstoff-14 vor; sowie eine 2300-jährige Radiokarbonperiode vorschlagen, die die 208-jährige Periode moduliert.

Während des Oberperms vor 240 Millionen Jahren zeigen Mineralschichten, die in der Kastilien-Formation entstanden sind, Zyklen von 2.500 Jahren.

Solares Magnetfeld

Das Magnetfeld der Sonne strukturiert ihre Atmosphäre und ihre äußeren Schichten durch die Korona und in den Sonnenwind hinein . Seine raumzeitlichen Variationen führen zu verschiedenen messbaren Sonnenphänomenen. Andere Sonnenphänomene sind eng mit dem Zyklus verbunden, der als Energiequelle und dynamischer Motor für erstere dient.

Auswirkungen

Solar

Aktivitätszyklen 21, 22 und 23 im Sonnenfleckenzahlindex, TSI, 10,7 cm Radiofluss und Flareindex. Die vertikalen Skalen für jede Größe wurden angepasst, um eine Überzeichnung auf derselben vertikalen Achse wie die TSI zu ermöglichen. Zeitliche Variationen aller Größen sind eng phasensynchronisiert, aber der Grad der Korrelation der Amplituden ist bis zu einem gewissen Grad variabel.

Oberflächenmagnetismus

Sonnenflecken zerfallen schließlich und setzen einen magnetischen Fluss in der Photosphäre frei. Dieser Fluss wird durch turbulente Konvektion und solare großräumige Strömungen zerstreut und aufgewühlt. Diese Transportmechanismen führen zur Anhäufung von magnetisierten Zerfallsprodukten in hohen solaren Breiten, die schließlich die Polarität der Polarfelder umkehren (beachten Sie, wie sich die blauen und gelben Felder in der Hathaway/NASA/MSFC-Grafik oben umkehren).

Die dipolare Komponente des solaren Magnetfelds kehrt zur Zeit des Sonnenmaximums die Polarität um und erreicht beim Sonnenminimum eine Spitzenstärke.

Platz

Raumfahrzeug

CMEs ( koronale Massenauswürfe ) erzeugen einen Strahlungsfluss von hochenergetischen Protonen , manchmal auch als solare kosmische Strahlung bekannt. Diese können zu Strahlungsschäden an Elektronik und Solarzellen in Satelliten führen . Solarprotonenereignisse können auch Single-Event-Upset (SEU)-Ereignisse in der Elektronik verursachen; gleichzeitig verringert der reduzierte Fluss der galaktischen kosmischen Strahlung während des Sonnenmaximums die hochenergetische Komponente des Teilchenflusses.

CME-Strahlung ist gefährlich für Astronauten auf einer Weltraummission, die sich außerhalb der Abschirmung befinden, die durch das Erdmagnetfeld erzeugt wird . Zukünftige Missionsdesigns ( z. B. für eine Mars-Mission ) beinhalten daher einen strahlungsgeschützten "Sturmunterstand", in den sich Astronauten während eines solchen Ereignisses zurückziehen können.

Gleißberg hat eine CME-Prognosemethode entwickelt, die auf aufeinanderfolgenden Zyklen beruht.

Auf der positiven Seite dehnt die erhöhte Einstrahlung während des Sonnenmaximums die Hülle der Erdatmosphäre aus, wodurch Weltraumschrott in niedriger Umlaufbahn schneller wieder eindringt.

Galaktischer kosmischer Strahlenfluss

Die Ausdehnung der Sonnenejekta nach außen in den interplanetaren Raum sorgt für Überdichten von Plasma, die effizient hochenergetische kosmische Strahlung streuen , die von anderswo in der Galaxie in das Sonnensystem eindringt. Die Häufigkeit von solaren Eruptionsereignissen wird durch den Zyklus moduliert, wodurch sich der Grad der Streuung der kosmischen Strahlung im äußeren Sonnensystem entsprechend ändert. Infolgedessen ist der Fluss der kosmischen Strahlung im inneren Sonnensystem antikorreliert mit dem Gesamtniveau der Sonnenaktivität. Diese Antikorrelation wird bei Messungen des kosmischen Strahlflusses an der Erdoberfläche deutlich nachgewiesen.

Einige hochenergetische kosmische Strahlung, die in die Erdatmosphäre eindringt, kollidiert hart genug mit molekularen atmosphärischen Bestandteilen, dass sie gelegentlich nukleare Spallationsreaktionen verursachen . Zu den Spaltprodukten zählen Radionuklide wie 14 C und 10 Be , die sich auf der Erdoberfläche absetzen. Ihre Konzentration kann in Baumstämmen oder Eisbohrkernen gemessen werden, was eine Rekonstruktion der Sonnenaktivität in die ferne Vergangenheit ermöglicht. Solche Rekonstruktionen weisen darauf hin, dass das Gesamtniveau der Sonnenaktivität seit der Mitte des 20.

Atmosphärisch

Sonneneinstrahlung

Die totale Sonneneinstrahlung (TSI) ist die Menge der Sonnenstrahlungsenergie, die auf die obere Erdatmosphäre einfällt. TSI-Variationen waren bis zum Beginn der Satellitenbeobachtungen Ende 1978 nicht nachweisbar. Eine Reihe von Radiometern wurde von den 1970er bis in die 2000er Jahre auf Satelliten gestartet . Die TSI-Messungen variierten von 1360 bis 1370 W/m 2 über zehn Satelliten. Einer der Satelliten, der ACRIMSAT, wurde von der ACRIM-Gruppe gestartet. Die umstrittene „ACRIM-Lücke“ von 1989–1991 zwischen nicht überlappenden ACRIM-Satelliten wurde von der ACRIM-Gruppe zu einer Zusammensetzung interpoliert, die einen Anstieg von +0,037 %/Jahrzehnt zeigt. Eine weitere Reihe, die auf den ACRIM-Daten basiert, wird von der PMOD-Gruppe erstellt und zeigt einen Abwärtstrend von −0,008 %/Dekade. Dieser Unterschied von 0,045%/Dekade wirkt sich auf Klimamodelle aus.

Die Sonneneinstrahlung variiert systematisch über den Zyklus, sowohl in der Gesamtstrahlung als auch in ihren relativen Komponenten (UV vs. sichtbare und andere Frequenzen). Die Sonnenleuchtkraft ist während des Sonnenmaximums in der Mitte des Zyklus schätzungsweise 0,07 Prozent heller als das terminale Sonnenminimum. Photosphärischer Magnetismus scheint die Hauptursache (96%) der TSI-Variationen von 1996 bis 2013 zu sein. Das Verhältnis von ultraviolettem zu sichtbarem Licht variiert.

TSI variiert in Phase mit dem solaren magnetischen Aktivitätszyklus mit einer Amplitude von etwa 0,1% um einen Durchschnittswert von etwa 1361,5 W/m 2 (die „ Sonnenkonstante “). Abweichungen um den Durchschnitt von bis zu −0,3% werden durch große Sonnenfleckengruppen und von +0,05% durch große Faculae und das helle Netzwerk auf einer 7-10-Tage-Zeitskala verursacht (siehe TSI-Variationsgrafiken). TSI-Variationen aus dem Satellitenzeitalter zeigen kleine, aber erkennbare Trends.

Der TSI ist beim Sonnenmaximum höher, obwohl die Sonnenflecken dunkler (kühler) sind als die durchschnittliche Photosphäre. Dies wird durch andere magnetisierte Strukturen als Sonnenflecken während Sonnenmaxima verursacht, wie Faculae und aktive Elemente des "hellen" Netzwerks, die heller (heißer) als die durchschnittliche Photosphäre sind. Zusammen überkompensieren sie das mit den kühleren, aber weniger zahlreichen Sonnenflecken verbundene Einstrahlungsdefizit. Der Hauptgrund für TSI-Änderungen auf den Zeitskalen der Sonnenrotation und des Sonnenfleckenzyklus ist die unterschiedliche photosphärische Abdeckung dieser strahlungsaktiven solaren magnetischen Strukturen.

Energieänderungen der UV-Strahlung, die mit der Produktion und dem Verlust von Ozon verbunden sind, haben atmosphärische Auswirkungen. Der atmosphärische Druck von 30 hPa änderte seine Höhe in Phase mit der Sonnenaktivität während der Sonnenzyklen 20–23. Die Zunahme der UV-Strahlung verursachte eine höhere Ozonproduktion, was zu einer Erwärmung der Stratosphäre und zu polwärts gerichteten Verschiebungen in den stratosphärischen und troposphärischen Windsystemen führte.

Kurzwellige Strahlung

Ein Sonnenzyklus: eine Montage von Yohkoh SXT-Bildern aus zehn Jahren , die die Variation der Sonnenaktivität während eines Sonnenfleckenzyklus vom 30. August 1991 bis zum 6. September 2001 zeigt. Bildnachweis: die Yohkoh-Mission des ISAS (Japan) und NASA (USA).

Bei einer Temperatur von 5870 K emittiert die Photosphäre einen Strahlungsanteil im extremen Ultraviolett (EUV) und darüber. Heißere obere Schichten der Sonnenatmosphäre ( Chromosphäre und Korona ) emittieren jedoch mehr kurzwellige Strahlung. Da die obere Atmosphäre nicht homogen ist und eine signifikante magnetische Struktur enthält, variiert der solare Ultraviolett- (UV-), EUV- und Röntgenstrahl während des Zyklus deutlich.

Die Fotomontage links veranschaulicht diese Variation für weiches Röntgen , wie sie der japanische Satellit Yohkoh nach dem 30. August 1991, dem Höhepunkt von Zyklus 22, bis zum 6. September 2001, dem Höhepunkt von Zyklus 23, beobachtet hat zyklusbedingte Variationen werden im Fluss der solaren UV- oder EUV-Strahlung beobachtet, wie sie beispielsweise von den Satelliten SOHO oder TRACE beobachtet werden.

Obwohl sie nur einen winzigen Bruchteil der gesamten Sonnenstrahlung ausmacht, sind die Auswirkungen der solaren UV-, EUV- und Röntgenstrahlung auf die obere Erdatmosphäre tiefgreifend. Der solare UV-Fluss ist ein wichtiger Treiber der Stratosphärenchemie , und eine Zunahme der ionisierenden Strahlung beeinflusst die von der Ionosphäre beeinflusste Temperatur und elektrische Leitfähigkeit erheblich .

Solarer Funkfluss

Die Emission der Sonne bei zentimetrischer (Radio-) Wellenlänge ist hauptsächlich auf koronales Plasma zurückzuführen, das in den Magnetfeldern eingeschlossen ist, die über den aktiven Regionen liegen. Der F10.7-Index ist ein Maß für den solaren Radiofluss pro Frequenzeinheit bei einer Wellenlänge von 10,7 cm, nahe der Spitze der beobachteten solaren Radioemission. F10.7 wird oft in SFU oder Solarflusseinheiten ausgedrückt (1 SFU = 10 −22 W m −2 Hz −1 ). Sie stellt ein Maß für die diffuse, nicht strahlende koronale Plasmaerwärmung dar. Es ist ein ausgezeichneter Indikator für die gesamte Sonnenaktivität und korreliert gut mit den solaren UV-Emissionen.

Sonnenfleckenaktivität hat einen großen Einfluss auf Langstreckenfunkkommunikation , insbesondere an den Kurzwellenbändern obwohl Mittelwelle und niedrige VHF - Frequenzen sind ebenfalls betroffen. Eine hohe Sonnenfleckenaktivität führt zu einer verbesserten Signalausbreitung auf höheren Frequenzbändern, erhöht jedoch auch das Niveau von Sonnenrauschen und ionosphärischen Störungen. Diese Effekte werden durch den Einfluss der erhöhten Sonneneinstrahlung auf die Ionosphäre verursacht .

Ein Sonnenstrom von 10,7 cm könnte die terrestrische Punkt-zu-Punkt-Kommunikation stören.

Wolken

Spekulationen über die Auswirkungen von Veränderungen der kosmischen Strahlung im Laufe des Zyklus beinhalten möglicherweise:

  • Änderungen der Ionisation beeinflussen die Aerosolhäufigkeit, die als Kondensationskeim für die Wolkenbildung dient. Während der Sonnenminima erreicht mehr kosmische Strahlung die Erde, wodurch möglicherweise ultrakleine Aerosolpartikel als Vorläufer von Wolkenkondensationskernen erzeugt werden . Wolken, die aus größeren Mengen an Kondensationskernen gebildet werden, sind heller, langlebiger und produzieren wahrscheinlich weniger Niederschlag.
  • Eine Änderung der kosmischen Strahlung könnte zu einer Zunahme bestimmter Wolkenarten führen, die die Albedo der Erde beeinträchtigen .
  • Es wurde vorgeschlagen, dass die Variation der kosmischen Strahlung , insbesondere in hohen Breiten , die terrestrische Wolkenbedeckung in niedriger Höhe beeinflussen kann (im Gegensatz zu einer fehlenden Korrelation mit Wolken in großer Höhe), die teilweise durch das solarbetriebene interplanetare Magnetfeld beeinflusst wird (sowie den Durchgang durch die galaktische Waffen über längere Zeiträume), aber diese Hypothese wurde nicht bestätigt.

Spätere Arbeiten zeigten, dass die Erzeugung von Wolken durch kosmische Strahlung nicht durch Nukleationsteilchen erklärt werden kann. Beschleunigerergebnisse erzeugten keine ausreichenden und ausreichend großen Partikel, um zu einer Wolkenbildung zu führen; dazu gehören Beobachtungen nach einem großen Sonnensturm. Beobachtungen nach Tschernobyl zeigen keine induzierten Wolken.

Terrestrisch

Organismen

Der Einfluss des Sonnenzyklus auf lebende Organismen wurde untersucht (siehe Chronobiologie ). Einige Forscher behaupten, Verbindungen zur menschlichen Gesundheit gefunden zu haben.

Die Menge des ultravioletten UVB-Lichts bei 300 nm, das die Erdoberfläche erreicht, variiert aufgrund von Schwankungen in der schützenden Ozonschicht im Laufe des Sonnenzyklus um einige Prozent . In der Stratosphäre Ozon wird kontinuierlich regeneriert durch die Spaltung der O 2 Moleküle , die durch UV - Licht. Während eines Sonnenminimums führt die Abnahme des von der Sonne empfangenen ultravioletten Lichts zu einer Abnahme der Ozonkonzentration, wodurch erhöhte UVB die Erdoberfläche erreichen können.

Funkkommunikation

Skywave-Moden der Funkkommunikation funktionieren, indem sie Funkwellen ( elektromagnetische Strahlung ) durch die Ionosphäre biegen ( brechen ) . Während der "Spitzen" des Sonnenzyklus wird die Ionosphäre zunehmend durch Sonnenphotonen und kosmische Strahlung ionisiert . Dies beeinflusst die Ausbreitung der Funkwelle auf komplexe Weise, die die Kommunikation entweder erleichtern oder behindern kann. Prognose von skywave Modi ist von großen Interesse für die kommerzielle Marine und Flugzeugkommunikation , Amateurfunker und Kurzwelle Sendeanstalten . Diese Benutzer belegen Frequenzen innerhalb des Hochfrequenz- oder 'HF'-Funkspektrums, die am stärksten von diesen solaren und ionosphärischen Varianzen betroffen sind. Änderungen der Solarleistung beeinflussen die maximal nutzbare Frequenz , eine Grenze für die höchste Frequenz verwendbar für die Kommunikation.

Klima

Es wird vermutet, dass sowohl langfristige als auch kurzfristige Variationen der Sonnenaktivität potenziell das globale Klima beeinflussen, aber es hat sich als schwierig erwiesen, einen Zusammenhang zwischen Sonnenvariation und Klima aufzuzeigen.

Frühe Forschungen versuchten mit begrenztem Erfolg, das Wetter zu korrelieren, gefolgt von Versuchen, die Sonnenaktivität mit der globalen Temperatur zu korrelieren. Der Zyklus beeinflusst auch das regionale Klima. Messungen des Spectral Bestrahlungsmonitors von SORCE zeigen, dass die solare UV-Variabilität beispielsweise in den USA und Nordeuropa kältere Winter und in Kanada und Südeuropa während der Sonnenminima wärmere Winter erzeugt.

Drei vorgeschlagene Mechanismen vermitteln die Klimaauswirkungen der Sonnenvariationen:

  • Gesamtsonnenstrahlung (" Radiative forcing ").
  • Ultraviolette Strahlung. Der UV-Anteil schwankt um mehr als die Summe, wenn also UV aus irgendeinem (noch unbekannten) Grund einen unverhältnismäßigen Effekt hätte, könnte dies das Klima beeinflussen.
  • Sonnenwind-vermittelte galaktische Veränderungen der kosmischen Strahlung , die die Wolkenbedeckung beeinflussen können.

Die Variation des Sonnenfleckenzyklus von 0,1% hat kleine, aber nachweisbare Auswirkungen auf das Erdklima. Camp und Tung schlagen vor, dass die Sonneneinstrahlung mit einer Abweichung von 0,18 K ±0,08 K (0,32 °F ±0,14 °F) der gemessenen durchschnittlichen globalen Temperatur zwischen Sonnenmaximum und -minimum korreliert.

Andere Effekte umfassen eine Studie, die einen Zusammenhang mit den Weizenpreisen feststellte, und eine andere, die eine schwache Korrelation mit dem Wasserfluss im Fluss Paraná feststellte . In Jahrringdicken und Schichten am Grund eines Sees wurden vor Hunderten von Millionen Jahren elfjährige Zyklen gefunden.

Der aktuelle wissenschaftliche Konsens, insbesondere der des IPCC , ist, dass solare Variationen nur eine marginale Rolle beim Treiben des globalen Klimawandels spielen , da das gemessene Ausmaß der jüngsten solaren Variation viel geringer ist als der Antrieb durch Treibhausgase. Auch war die durchschnittliche Sonnenaktivität in den 2010er Jahren nicht höher als in den 1950er Jahren (siehe oben), während die durchschnittlichen globalen Temperaturen in diesem Zeitraum deutlich angestiegen waren. Ansonsten ist das Verständnis der solaren Auswirkungen auf das Wetter gering.

Der Sonnenzyklus beeinflusst auch den Orbitalzerfall von Low Earth Orbiting (LEO) -Objekten, indem er die Dichte auf den oberen thermosphärischen Ebenen beeinflusst.

Solardynamo

Es wird angenommen, dass der 11-jährige Sonnenfleckenzyklus die Hälfte eines 22-jährigen Babcock-Leighton-Sonnendynamozyklus ist , der einem oszillierenden Energieaustausch zwischen toroidalen und poloidalen Sonnenmagnetfeldern entspricht, der durch solare Plasmaflüsse vermittelt wird, die auch Energie auf das Dynamosystem bei jedem Schritt. Beim Maximum des Sonnenzyklus ist das externe poloidale dipolare Magnetfeld nahe seiner minimalen Stärke des Dynamozyklus , aber ein internes toroides Quadrupolfeld, das durch unterschiedliche Rotation innerhalb der Tachocline erzeugt wird , ist nahe seiner maximalen Stärke. An diesem Punkt des Dynamozyklus erzwingt der Auftrieb innerhalb der Konvektionszone das Auftreten des toroidalen Magnetfelds durch die Photosphäre, was zu Paaren von Sonnenflecken führt, die grob von Osten nach Westen mit entgegengesetzten magnetischen Polaritäten ausgerichtet sind. Die magnetische Polarität der Sonnenfleckenpaare wechselt in jedem Sonnenzyklus, ein Phänomen, das als Hale-Zyklus bekannt ist.

Während der Abstiegsphase des Sonnenzyklus verschiebt sich die Energie vom inneren toroidalen Magnetfeld zum äußeren poloidalen Feld, und die Zahl der Sonnenflecken nimmt ab. Beim Sonnenminimum ist das toroidale Feld entsprechend minimal, Sonnenflecken sind relativ selten und das Poloidfeld maximal stark. Während des nächsten Zyklus wandelt die Differentialrotation magnetische Energie vom poloidalen in das toroidale Feld zurück, mit einer Polarität, die dem vorherigen Zyklus entgegengesetzt ist. Der Prozess geht kontinuierlich weiter, und in einem idealisierten, vereinfachten Szenario entspricht jeder 11-jährige Sonnenfleckenzyklus einer Änderung der Polarität des großräumigen Magnetfelds der Sonne.

Solardynamomodelle weisen darauf hin, dass Plasmaflusstransportprozesse im Sonneninneren wie differentielle Rotation, meridionale Zirkulation und turbulentes Pumpen eine wichtige Rolle beim Recycling der toroidalen und poloidalen Komponenten des solaren Magnetfelds spielen ( Hazra und Nandy 2016 ). Die relativen Stärken dieser Flusstransportprozesse bestimmen auch das „Gedächtnis“ des Sonnenzyklus, das bei physikbasierten Vorhersagen des Sonnenzyklus eine wichtige Rolle spielt. Yeates, Nandy und Mackay (2008) und Karak und Nandy (2012) verwendeten insbesondere stochastisch erzwungene nichtlineare Sonnendynamosimulationen, um festzustellen, dass der Sonnenzyklusspeicher kurz ist und über einen Zyklus andauert, was bedeutet, dass genaue Vorhersagen nur möglich sind für den nächsten Sonnenfleckenzyklus und nicht darüber hinaus. Dieses Postulat eines kurzen Ein-Zyklus-Gedächtnisses im Sonnendynamomechanismus wurde später von Muñoz-Jaramillo et al. (2013) .

Obwohl die Tachocline seit langem als der Schlüssel zur Erzeugung des großräumigen Magnetfelds der Sonne angesehen wurde, haben neuere Forschungen diese Annahme in Frage gestellt. Radiobeobachtungen von Braunen Zwergen haben gezeigt, dass sie auch großräumige Magnetfelder aufrechterhalten und Zyklen magnetischer Aktivität anzeigen können. Die Sonne hat einen Strahlungskern, der von einer konvektiven Hülle umgeben ist, und an der Grenze dieser beiden befindet sich die Tachokline . Braunen Zwergen fehlen jedoch Strahlungskerne und Tachokline. Ihre Struktur besteht aus einer sonnenähnlichen konvektiven Hülle, die vom Kern bis zur Oberfläche existiert. Da ihnen eine Tachokline fehlt, sie aber dennoch eine solarähnliche magnetische Aktivität aufweisen, wurde vermutet, dass die solare magnetische Aktivität nur in der konvektiven Hülle erzeugt wird.

Spekulativer Einfluss der Planeten

Es wurde seit langem theoretisiert, dass die Planeten einen Einfluss auf den Sonnenzyklus haben könnten, und viele spekulative Artikel wurden im Laufe der Jahre veröffentlicht. 1974 gab es einen Bestseller namens The Jupiter Effect basierend auf dieser Idee. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, dass das von den Planeten auf eine nicht-sphärische Tachocline- Schicht tief in der Sonne ausgeübte Drehmoment den Sonnendynamo synchronisieren kann. Es zeigte sich jedoch, dass ihre Ergebnisse ein Artefakt der falsch angewendeten Glättungsmethode waren, die zum Aliasing führte . Dennoch tauchen immer wieder Arbeiten auf, die den mutmaßlichen Einfluss der planetarischen Kräfte auf die Sonne vorschlagen, wenn auch ohne einen quantitativen physikalischen Mechanismus dafür. Es ist jedoch bekannt, dass die solare Variabilität im Wesentlichen stochastisch und über einen Sonnenzyklus hinaus unvorhersehbar ist, was der Idee des deterministischen planetarischen Einflusses auf den Sonnendynamo widerspricht. Darüber hinaus reproduzieren moderne Dynamomodelle den Sonnenzyklus präzise und ohne planetarischen Einfluss. Dementsprechend wird der planetarische Einfluss auf den Sonnendynamo als marginal angesehen und steht im Widerspruch zu den Rasierprinzipien des Occam .

Siehe auch

Verweise

Allgemeine Referenzen

Externe Links