Sunspots photographed by solar orbiter

Bilder des Solar Dynamics Observatory der NASA zeigen das Aussehen der Sonne beim Sonnenminimum (links, Dezember 2019) und beim Sonnenmaximum (rechts, April 2014). Aktive Regionen kommen bei Sonnenmaximum viel häufiger vor. Quelle: NASA/SDO.

Der Aktivitätszyklus der Sonne (auch Sonnenfleckenzyklus oder Sonnenzyklus) bezeichnet die quasiperiodische Veränderung vieler Beobachtungsgrößen der Sonne mit einer Periode von  etwa 11 Jahren. Der Sonnenzyklus ist am deutlichsten in Beobachtungsgrößen zu erkennen, die direkt mit dem Magnetfeld der Sonne zu tun haben. Das auffälligste Merkmal sind Sonnenflecken. Diese wurden bereits vor mehr als 400 Jahren von Galileo Galilei, unmittelbar nach Erfindung des Teleskops, beobachtet. Sonnenflecken sind Regionen auf der Sonne, die dunkler erscheinen als die umgebende Sonnenoberfläche, die sog. Photosphäre. Die ruhige Sonnenoberfläche hat eine Temperatur von etwa 5500 Grad, wohingegen die Temperaturen in Sonnenflecken nur etwa 4000 Grad betragen. Dies hat mit dem starken Magnetfeld in Sonnenflecken zu tun, das den Energietransport vom heißen Sonneninneren an die Oberfläche stört und teils unterbindet. Sonnenflecken senden daher weniger Strahlung aus als die Umgebung und erscheinen somit als dunkle Gebiete auf der Sonne. 

Sonnenflecken können Lebenszeiten von einigen Wochen bis zu einigen Monaten haben, und ihre Größe kann ein Vielfaches der Erdoberfläche erreichen. Die Beobachtung von Sonnenflecken zeigt besonders deutlich, dass unsere Sonne rotiert, im Mittel in 27 Tagen einmal um ihre Achse (von der Erde aus betrachtet). Sonnenflecken erscheinen nicht überall auf der Sonne, sondern gruppieren sich in niedrigen Breiten zu beiden Seiten des Sonnenäquators. Allerdings gibt es auch Zeiten ganz ohne Sonnenflecken, die sich abwechseln mit Zeiten, wo sehr viele und große Sonnenflecken zu beobachten sind. Im Mittel gibt es alle 11 Jahre ein Maximum im Auftreten der Sonnenflecken.  Das letzte Maximum war im Jahr 2014. Gegenwärtig befinden wir uns im Zyklus 25, der im Jahr 2019 begonnen hat und dessen Maximum für 2023 - 2024 erwartet wird.

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Die monatlichen mittleren Sonnenfleckenzahlen, die aus den täglichen Sonnenfleckenzeichnungen des Observatoriums Kanzelhöhe seit 1944 gewonnen werden, zeigen den 11-jährigen Aktivitätszyklus der Sonne. Gegenwärtig (2022) befinden wir uns am Beginn des Sonnenzyklus Nummer 25. Quelle: Sonnenobservatorium Kanzelhöhe.

Das starke Magnetfeld in Sonnenflecken ist auch die Ursache für die energiereichsten Ausbrüche, die unsere Sonne hervorbringt, die sogenannten Flares und koronalen Massenauswürfe. Flares bezeichnen die plötzliche lokalisierte Freisetzung von erhöhter energiereicher Strahlung über einen Zeitraum von Minuten bis Stunden, ausgelöst durch die Verschmelzung von den starken Magnetfeldern, die mit Sonnenflecken assoziiert sind. Koronale Massenauswürfe (engl. coronal mass ejections - CMEs) sind riesige Wolken von magnetisiertem Plasma, das aus der äußersten Schicht der Sonne, der Korona, ausgeschleudert wird und sich mit Geschwindigkeiten von mehreren Millionen Kilometer pro Stunde durch den interplanetaren Raum ausbreiten. Die Anzahl der CMEs die auf der Sonne ausbrechen korreliert mit der Anzahl der Sonnenflecken. Während es im Sonnenminimum alle paar Tage eine CME auf der Sonne gibt, brechen während eines Sonnenmaximum im Schnitt fünf CMEs pro Tag aus.

Eine Eruption wird von der ESA/NASA Raumsonde Solar Orbiter fotografiert. Quelle: ESA/Solar Orbiter.
Eine riesige Sonneneruption (links) wird von der ESA/NASA Raumsonde Solar Orbiter fotografiert. Quelle: ESA/Solar Orbiter.

Erdgerichtete CMEs erreichen die Erde nach etwa ein bis vier Tagen, abhängig von ihrer Anfangsgeschwindigkeit nahe der Sonne, Größe und Masse sowie den Kopplungsprozessen mit der umgebenden Sonnenwindströmung. CMEs können schwere geomagnetische Stürme verursachen, wenn ihre eingebetteten Magnetfelder und das von ihnen aufgestaute Plasma des Sonnenwinds   sich mit dem Erdmagnetfeld verbindet. Nicht nur CMEs, sondern auch Hochgeschwindigkeits- Sonnenwindströme, die von den koronalen Löchern der Sonne ausgehen, können wiederkehrende geomagnetische Stürme verursachen. Die Wechselwirkung zwischen langsamen und schnellen Sonnenwindströmen aufgrund der Sonnenrotation (SIRs) formen korotierenden wechselwirkenden Regionen (CIRs). Raumsonden in der Erdumlaufbahn, die CIRs im Sonnenwind beobachten, sehen wiederkehrende Signaturen von SIRs mit Perioden nahe der synodischen Rotationsperiode der Sonne von ungefähr 27 Tagen. CIRs treten am häufigsten während der abnehmenden/späten Phasen von Sonnenzyklen auf, können aber auch im Sonnenmaximum beobachtet werden.

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