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Computersimulation: Sonnenflecken aus dem Superrechner

Mit dem neuen Rechnercluster des National Center for Atmospheric Research der USA konnten Modellrechnungen durchgeführt werden, die in großer Detailgenauigkeit die Vorgänge in Sonnenflecken aufzeigen. Das Verständnis dieser dunklen, magnetischen Bereiche auf der Oberfläche unseres Zentralgestirns ist wesentlich für die Vorhersagen des Weltraumwetters, dem die Erde ausgesetzt ist.

Sonnenflecken | Diese Aufnahme mit dem schwedischen 1-Meter-Sonnenteleskop zeigt zwei prominente Sonnenflecken, deren Größe die Erde in den Schatten stellt. Das Ballonteleskop Sunrise und die Computersimulation von Rempel et al. erreichen etwa die dreifache Auflösung.
Dafür entwickelten Matthias Rempel und seine Kollegen vom High Altitude Observatory in Boulder, Colorado, sowie dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau bisherige Computermodelle so weiter, dass nun alle relevanten physikalischen Prozesse berücksichtigt werden: die Bewegung geladener Teilchen bei Anwesenheit eines Magnetfelds (Magnetohydrodynamik), deren Ionisationsgrad und der daneben ablaufende Energietransport durch die Strahlung der Sonne.

Frühere Berechungen konnten dies nur teilweise leisten und auch lediglich in einem recht kleinen Bereich eines einzelnen Fleckens. Diese sind größer als die Erde, weshalb die Astronomen in ihren Computern nun eine "numerische Box" von rund 100 000 mal 50 000 mal 6000 Kilometer untersuchten. Dabei erreichten sie eine räumliche Auflösung von 32 Kilometern in der Vertikalen und 16 Kilometern in der Horizontalen.

Dies ist das erste Mal, dass gleich ein Paar zusammengehörender Flecken mit Modellrechnungen beschrieben werden kann. So reproduziert der Computer sowohl den inneren, dunkleren Bereich eines Sonnenflecks – die Umbra – als auch die darumliegende hellere Region, die Penumbra. Deren Gestalt wie auch radial verlaufende Strömungen, die von Beobachtern schon vor 100 Jahren auf der Sonnenoberfläche ausgemacht wurden, erweisen sich dabei vom Winkel der Magnetfeldlinien zur Oberfläche abhängig.

3D-Sonnenfleck | Simulations-Schnappschuss: Die Graustufen (A) geben die Helligkeit im Vergleich zum Durchschnitt der Sonnenoberfläche wieder: das Zentrum des Flecks kommt nur auf 20 Prozent. Die Farbabstufungen (B) zeigt die magnetische Feldstärke an, in der Umbra herrschen etwa 0,6 Tesla, 10 000-mal so viel wie an den Erdpolen. Die vertikale Skala ist zweifach überhöht.
Die Wissenschaftler schließen, es müsse eine einheitliche physikalische Erklärung für die Unterschiede von Umbra und Penumbra geben, und haben dafür die aufsteigenden heißen Gase in der Sonne im Zusammenspiel mit dem veränderlichen Magnetfeld im Verdacht. Noch gibt es gewisse Diskrepanzen zwischen Beobachtungen und Berechnungen, die die Forscher auf die immer noch geringe "Kastengröße" und Auflösung ihrer Simulation zurückführen. Dafür wäre jedoch mehr Rechenleistung notwendig, als ihnen derzeit zur Verfügung steht.

Die Anzahl der Sonnenflecken schwankt in einem Elf-Jahres-Zyklus. Der 24. seit Beginn der systematischen Aufzeichnungen hat gerade begonnen, das Maximum wird Anfang 2013 erwartet. Auch wenn dies vielleicht so schwach ausfällt wie seit 1928 nicht mehr, kann die Erde trotzdem von massiven Sonnenstürmen heimgesucht werden. Diese können unter anderem Satelliten zerstören, Stromnetze lahmlegen und Flugreisende einer erhöhten Strahlendosis aussetzen. (dre)

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  • Quellen
Rempel, M. et al.: Penumbral Structure and Outflows in Simulated Sunspots. In: Science, 10.1126/science.1173798, 2009.

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