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Sonnenforschung: Riesige Konvektionszellen unter der Sonnenoberfläche nachgewiesen?

Rotierende Plasmascheibe über der SonneLaden...

Ein Forscherteam um David H. Hathaway vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, stieß in den Bildern des Solar Dynamics Observatory auf Anzeichen, die sie als Signatur riesiger Konvektionszellen im Inneren der Sonne interpretieren. Schon seit mehr als 45 Jahren wurde ihre Existenz aus theoretischen Überlegungen vorhergesagt. Diese riesigen Konvektionszellen sorgen für den Transport der im Sonnenkern durch Fusionsprozesse erzeugten Energie durch die oberen 30 Prozent des Sonneninneren. Dabei steigen heißere und weniger dichte Partien des Sonnenmantels unter dem Einfluss der solaren Schwerkraft nach oben, während kühlere und dichtere Bereiche nach unten absinken. Durch diesen Effekt kommen geschlossene Kreisläufe zustande, die Konvektionszellen. Der Kern selbst gibt seine Energie nur durch Strahlungstransport ab, er konvektiert nicht.

Solare RiesenkonvektionszellenLaden...
Solare Riesenkonvektionszellen | Auf diesen Karten in Mercatorprojektion von vier aufeinanderfolgenden Sonnenrotationen von Mai bis August 2010 sind links die Bewegungen in der solaren Länge und rechts in der solaren Breite dargestellt. Mit der Rotation der Sonne einhergehende, prograde und nach Süden gerichtete Bewegungen erscheinen rot, während retrograde und nach Norden gerichtete Bewegungen in Blau dargestellt sind. Die langgestreckte Struktur an den oberen Rändern der linken Karten ist der deutlichste Hinweis auf eine Riesenkonvektionszelle im tieferen Sonneninneren.

Schon seit langem sind kleinräumige Konvektionszellen auf der sichtbaren Sonnenoberfläche bekannt, die so genannten Granulen. Sie besitzen typische Durchmesser um 1000 Kilometer, existieren jeweils für etwa zehn Minuten und bedecken mit Ausnahme der Sonnenflecken die gesamte Oberfläche. Sie erhielten ihren Namen nach dem lateinischen Wort granum für Korn, da die Sonnenoberfläche im Teleskop gekörnt erscheint. Des Weiteren finden sich Supergranulen, die typische Durchmesser von etwa 30 000 Kilometern aufweisen und für rund einen Tag Bestand haben. Sie lassen sich durch spezielle spektrografische Verfahren nachweisen und wurden Ende der 1960er Jahre entdeckt.

Bald darauf suchten die Sonnenforscher nach Riesen-Konvektionszellen, die den größten Teil der Konvektionszone der Sonne mit einer Tiefe von rund 200 000 Kilometern (rund ein drittel des Sonnenradius) überdecken. Sie besitzen Durchmesser von bis zu 200 000 Kilometern und sollten Lebensspannen von rund einem Monat aufweisen. Anhand von hydrodynamischen Modellen der Bedingungen in der solaren Konvektionszone erwarten die Sonnenphysiker, dass sich diese Riesenzellen in Äquatornähe bevorzugt von Nord nach Süd erstrecken. In höheren Breiten sollten diese Zellen durch die differenzielle Rotation der Sonne abgeschert werden, wodurch sie eine bananenähnliche Form annehmen. Die Sonne rotiert nicht wie ein starrer Körper, an den Polen benötigt sie rund 35 Tage für eine Umdrehung, am Äquator dagegen nur rund 25 Tage. Die Riesen-Konvektionszellen transportieren dabei Drehmoment in Richtung des Sonnenäquators und halten so die differenzielle Rotation in Gang.

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forscher um Hathaway die Verteilungsmuster der Supergranulen auf den Bildern des Sonnenforschungssatelliten Solar Dynamics Observatory (SDO). Sie setzten voraus, dass diese von den Strömungen in den darunterliegenden langlebigen Riesenzellen von deren Zentren an die Ränder transportiert werden. Sie maßen mit dem Helioseismic and Magnetic Imager HMI an Bord von SDO die Dopplerverschiebung einer Spektrallinie von ionisiertem Eisen und verarbeiteten die Bilder nach einem speziellen Verfahren. Die Astronomen griffen für ihre Analysen auf die Bilddaten ab Mai 2010 zurück.

Die Forscher konnten die Bewegungen der Supergranulen durch lokale Kreuzkorrelation bestimmen, in dem sie Bilderpaare verglichen, die im zeitlichen Abstand von 8, 16 und 24 Stunden entstanden. Um Aussagen über die deutlich tiefer liegenden Riesenzellen zu ermöglichen, berücksichtigten die Astronomen zudem die allgemeine Rotation der Sonne und große globale Strömungen an der Sonnenoberfläche. Aus den so gewonnnenen Daten leiteten sie die Bewegungsmuster der Supergranulen ab. Daraus erzeugten sie dann Karten für je eine Rotationsperiode der Sonne.

Auf den Karten zeigen sich auf höheren Breiten lang gestreckte Bewegungsmuster, die über längere Zeiträume hinweg bestehen bleiben. Sie driften innerhalb von drei Monaten um rund 180 Grad in der solaren Länge. In den niedrigeren Breiten sind diese Strukturen nicht so klar ausgeprägt und weisen auch kürzere Lebensdauern auf. Die langlebigen Bewegungsmuster sind nach Ansicht von David H. Hathaway und seinen Koautoren Belege für die lang gesuchten Riesenzellen im tieferen Sonnenninneren. Nun bleibt abzuwarten, ob auch andere Sonnenforscher dieser Interpretation zustimmen.

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  • Quellen
Hathaway, D. H. et al., Science 342, S. 1217 – 1219, 2013

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