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Die Sonne erwacht

Von ULF von RAUCHHAUPT
Foto: Nasa, SDO, Joy Ng

19. Oktober 2020 · Auf unserem Gestirn war zuletzt eher wenig los. Das ändert sich gerade. Welche Folgen hat das für die Erde und ihr Klima? Und welche nicht?

Sonnenflecken sind für globale Pandemien verantwortlich. So stand es jedenfalls in Nature. Im Januar 1990 erschien dort ein Text, der den Zusammenhang auch anhand einer Kurve nahelegte: Von der Spanischen Grippe kurz nach dem Ersten Weltkrieg bis zur „Red Flu“ genannten Epidemie, die 1977 in Russland und China auftrat, fallen dort alle sieben Sonnenflecken-Maxima mit Grippeausbrüchen zusammen. Dergleichen wurde seit dem Ende der siebziger Jahre mehrfach behauptet. Dass es das Thema 1990 ins Fachjournal Nature schaffte, dürfte allerdings allein am Namen eines der beiden Autoren liegen: Sir Fred Hoyle (1915 bis 2001) war ein sehr prominenter Astrophysiker, der gleichwohl einigen eigenartigen Ideen anhing. So propagierte er bis zu seinem Tod eine kosmologische Theorie ohne Urknall. Und er glaubte fest an einen außerirdischen Ursprung des Lebens auf der Erde: Die ersten Zellen seien aus dem All auf unseren Planeten gerieselt. Dergleichen passiere noch heute, meinte Hoyle, weswegen die höhere Aktivität einer fleckigeren Sonne durchaus vermehrt schädliche Keime zur Erdoberfläche befördern könne.

Die Korrelation von Sonnenflecken mit Epi- oder Pandemien wurde 2017 von der an der Arizona State University lehrenden kanadischen Statistikerin Sherry Towers im Fachjournal Epidemiology & Infection als ein klassisches Beispiel für fehlerhaften Umgang mit Daten entlarvt. Dies hält natürlich verschiedene Freizeitepidemiologen im Internet nicht davon ab, eine Assoziation mit den Sonnenflecken nun für Covid-19 aufzuwärmen. Allerdings müssen sie sich jetzt einen anderen Mechanismus ausdenken. Denn als die neuen Coronaviren im Dezember 2019 zum ersten Mal in Erscheinung traten, war die Sonne komplett fleckenfrei. Unser Mutterstern hatte gerade das Minimum seiner Aktivität erreicht.

Wirklich amtlich ist das allerdings erst seit dem 15. September. Da verkündete ein von der Nasa und ihrer Schwesterorganisation Noaa (National Oceanic and Atmospheric Administration) beauftragtes Expertengremium das Ende des 24. und den Beginn des 25. Sonnenfleckenzyklus – gezählt von dem Zyklus an, der im Jahr 1749 seinen Höhepunkt erreichte. Von da an liegen lückenlose monatliche Aufzeichnungen von Sonnenfleckenzahlen vor. Hauptaufgabe der Experten war indes, eine Einschätzung darüber auszuarbeiten, wie der nun anhebende Sonnenfleckenzyklus Nummer 25 ausfallen wird. 

Eine ruhige Sonne hat ein geordnetes Magnetfeld (A). Die Sonnenrotation verzerrt die Feldlinien (B), bis sie aus der Oberfläche ausbrechen. An den Durchstoßpunkten bilden sich Sonnenflecken (C). Danach stellt sich das geordnete Feld wieder her (D).
Eine ruhige Sonne hat ein geordnetes Magnetfeld (A). Die Sonnenrotation verzerrt die Feldlinien (B), bis sie aus der Oberfläche ausbrechen. An den Durchstoßpunkten bilden sich Sonnenflecken (C). Danach stellt sich das geordnete Feld wieder her (D).


Denn die Zahl der Flecken auf der Sonnenscheibe ist ein Maß für die Aktivität der Sonne, also etwa dafür, wie ausgiebig sie mit Strahlung und Plasmawolken um sich wirft, was auf der Erde neben intensiveren und bis in tiefere Breiten sichtbaren Polarlichtern auch allerhand unschöne Folgen für die elektrifizierte und immer mehr von Satelliten abhängige Menschheit haben kann. Fachleute sprechen hier von solaren „Stürmen“ und allgemein von „Weltraumwetter“.

Das augenfälligste Merkmal dieser Aktivität – und daher auch das, worüber die längsten historischen Aufzeichnungen vorliegen – sind eben die Sonnenflecken. Dabei handelt es sich um dunklere, weil kühlere Stellen auf der Sonnenoberfläche: Statt knapp 6000 Grad ist es in einem Sonnenfleck nur 4000 Grad heiß. Grund dafür sind die starken Magnetfelder, welche die Oberfläche am Ort der Flecken durchstoßen. Sie behindern das freie Brodeln des Sonnenplasmas und damit den Energietransport nach außen. Die Magnetfelder sind auch der Grund, warum Sonnenflecken periodisch auftreten. Eine ideal ruhige Sonne hat zunächst ein geordnetes Feld (siehe obere Grafik), ähnlich dem der Erde, mit einem Nordpol, an dem das Feldlinienbündel die Sonne verlässt, und einem Südpol, wo es hineinläuft. 

Nun besteht die Sonne aber aus beweglichem Plasma. Dieses wird von Magnetfeldern festgehalten, oder es hält die Felder fest – je nachdem, ob das Feld mehr Energie enthält oder das Plasma. Im Sonnenkörper ist zunächst Letzteres der Fall, weshalb die Rotation die Magnetfelder mitzieht und im Laufe vieler Umdrehungen immer weiter aufwickelt. Dabei verdichten sich die Feldlinien und erhalten so mehr Energie, die irgendwann ausreicht, sich punktuell aus dem Sonnenplasma zu befreien und die Oberfläche zu durchbrechen. Wo das geschieht, entsteht ein Sonnenfleckenpaar verschiedener magnetischer Polarität. 

Nach einem Aktivitätsmaximum hat der auf höheren Breiten befindliche Fleck eines Paares die entgegengesetzte Polarität wie der Pol seiner Hemisphäre. Zugleich beginnen sich die verzwirbelten Magnetfelder infolge ihres Energieverlustes wieder zu entwirren. Die Fleckenpaare werden schwächer und wandern in Richtung Pol ihrer jeweiligen Hemisphäre. Dort kommen die nachfolgenden, entgegengesetzt gepolten Flecken zuerst an. Im Verlauf stellt sich das geordnete globale Feld wieder her, allerdings mit umgekehrter Polarität. Der Zyklus kann von neuem beginnen. 

Vergleich: Maximale und Minimale Aktivität der Sonne

Foto: Nasa, SDO, Joy Ng
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Dr. Jekyll und Mr. Hyde: Die linke Hälfte dieses Bildes zeigt die ruhige Sonne am Tiefpunkt ihrer Aktivität im Dezember 2019. Rechts ist sie im vorangegangenen Aktivitätsmaximum im April 2014 zu sehen. Die Bilder wurden von der Sonde „Solar Dynamics Observatory“ im Ultraviolettbereich erstellt. In diesem Spektralbereich leuchtet die Sonne vergleichsweise schwach, dafür zeigen sich umso stärkere Kontraste zwischen den Strukturen auf ihrer Oberfläche.

Ein solcher Sonnenfleckenzyklus dauert im Schnitt etwa elf Jahre beziehungsweise 22 Jahre, wenn man abwartet bis die gleiche magnetische Polarität wiederhergestellt ist. Wie verschieden fleckig die Sonne dadurch jeweils aussieht, kann man sich seit vorletzter Woche auf der Website des Astrophysikalischen Instituts Potsdam ansehen, wo Forscher um Carsten Denker mit Hilfe von Schülerpraktikanten mehr als 3500 historische Aufnahmen digitalisiert und öffentlich zugänglich gemacht haben (siehe Bildleiste oben auf dieser Seite). Sie wurden zwischen 1943 und 1991 im Einsteinturm auf dem Potsdamer Telegraphenberg gemacht, einem Observatorium, das kurz nach dem Ersten Weltkrieg in futuristischer Betonarchitektur errichtet wurde, um eine Konsequenz der Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins zu testen. Nach einer umfassenden Renovierung des Turms in den Jahren 1997 bis 1999 dient er heute immer noch der Sonnenforschung. Hier werden Instrumente entwickelt und kalibriert, die dann an modernen Observatorien, wie denen auf Teneriffa oder in Arizona, zum Einsatz kommen.


  • 4. Februar 1946: Dieses und die folgenden historischen Sonnenbilder wurden vom Einsteinturm in Potsdam aus aufgenommen. Die unterschiedlichen Helligkeitsverläufe sind Folgen der Alterung der Photoemulsionen.  (https://public.aip.de/historical-sky/de/)
  • 10. März 1947
  • 23. Mai 1947
  • 3. Februar 1949
  • 12. April 1953
  • 18. August 1968
  • 12. Juni 1979
  • 23. August 1979
  • 19. Juli 1982
  • 4. Juli 1990
  • 4. Februar 1946: Dieses und die folgenden historischen Sonnenbilder wurden vom Einsteinturm in Potsdam aus aufgenommen. Die unterschiedlichen Helligkeitsverläufe sind Folgen der Alterung der Photoemulsionen. (https://public.aip.de/historical-sky/de/)
  • 10. März 1947
  • 23. Mai 1947
  • 3. Februar 1949
  • 12. April 1953
  • 18. August 1968
  • 12. Juni 1979
  • 23. August 1979
  • 19. Juli 1982
  • 4. Juli 1990


In den mehr als vier Jahrzehnten, in denen von Potsdam aus die Sonne beobachtet wurde, gab es fünf Sonnenflecken-Maxima: im Mai 1947, Oktober 1957, März 1968, Januar 1979 und im Februar 1989. Danach war die Sonne wieder im März 2000 und im Februar 2014 besonders fleckig. Dieser Rhythmus von 9 bis 14, im Mittel aber etwa 11 Jahren lässt sich bis ins frühe 17. Jahrhundert zurückverfolgen, als Galileo Galilei und der Jesuitenpater Christoph Scheiner unter den Ersten waren, die das damals gerade erfundene Teleskop dazu nutzten, die Sonnenscheibe vergrößert auf einen Schirm zu projizieren, was eine systematische Zählung der damals noch weitgehend rätselhaften Kleckse ermöglichte. Eine direkte Beobachtung von Sonnenflecken sollte niemand versuchen, dem sein Augenlicht lieb ist – natürlich erst recht nicht mit einem Fernglas oder Teleskop, und sei es noch so einfach. Allenfalls auf einer tiefroten Sonne knapp über dem Horizont sind sehr große Flecken unter bestimmten Wetterbedingungen mit bloßem Auge zu sehen. Daher war das Phänomen wahrscheinlich bereits im Altertum bekannt. Die früheste überlieferte Beobachtung könnte von Theophrastos stammen, dem bedeutendsten Schüler des Aristoteles. In der ihm zugeschriebenen meteorologischen Schrift „Peri Semeion“ (Über Zeichen), die allerdings eher den Eindruck eines Vorlesungsskripts macht, ist von einer Sonne die Rede, die beim Aufgehen „keinerlei Zeichen trägt“, was nahelegt, dass der alte Grieche die Sonne auch schon mit „Zeichen“ gesehen hatte.

Während also der Rhythmus der Sonnenaktivität ausweislich ihrer Fleckigkeit seit Jahrhunderten gleich blieb, gilt das nicht für deren Ausmaß. Zwischen 1645 und 1715 blieben die Sonnenflecken sogar ganz aus. Dass unser Tagesgestirn in diesem sogenannten Maunder-Minimum (benannt nach einem Forscher des späten 19. Jahrhunderts) trotzdem zyklisch aktiv war, konnte man in neuerer Zeit indirekt zeigen: Die mächtigere Magnetosphäre einer aktiveren Sonne lässt weniger kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre einprasseln, wo sie mit Luftbestandteilen das relativ langlebige Radioisotop Beryllium-10 bilden kann. Wechselnde Gehalte davon in Sedimenten lassen daher Aussagen über prähistorische Schwankungen der Sonnenaktivität zu. Aber außerhalb des Maunder-Minimums fielen die Sonnenflecken-Maxima durchaus unterschiedlich aus (siehe Grafik „Anzahl der Sonnenflecken“), und in den letzten Jahrzehnten ging die Tendenz nach unten.

„Der vorangegangene Zyklus, der mit der Nummer 24, war der viertschwächste seit Beginn der Aufzeichnungen“, erklärte Lisa Upton, Sonnenphysikerin und Kovorsitzende des „Solar Cycle 25 Prediction Panel“ von Nasa und Noaa, als sie die Ergebnisse ihres Gremiums am 15. September präsentierte. „Und es war der schwächste in hundert Jahren.“ Die Frage, die Upton und ihre Kollegen anhand von Analysen der Muster vergangener Zyklen sowie sonnenphysikalischer Modelle daher vor allem zu beantworten hatten, war, ob dieser Trend zu immer schwächeren Sonnenzyklen sich nun fortsetzen wird. Denn angesichts des dürftigen Fleckenaufkommens in Zyklus Nummer 24 war bereits überlegt worden, ob sich hier nicht das Abgleiten der Sonne in ein neues Maunder-Minimum abzeichne. 

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Seit 400 Jahren werden Flecken auf der Sonne gezählt: Seit 1749 liegen davon monatliche Durchschnittswerte vor.

Das weckte neben wissenschaftlicher Neugier auch gewisse Hoffnungen. Denn das Maunder-Minimum fällt mit dem Höhepunkt der sogenannten „Kleinen Eiszeit“ zusammen, einer Klimaabkühlung, die in Europa im 14. Jahrhundert einsetzte und erst nach den Napoleonischen Kriegen ganz ausgestanden war. Die Jahre zwischen 1645 und 1715 wurden dabei besonders frostig. So fror etwa regelmäßig die Themse zu, und 1658 konnte Schwedenkönig Karl X. Gustav im Zweiten Nordischen Krieg seine Truppen über den vereisten Großen Belt marschieren lassen und die Dänen so zu schmählichen Gebietsabtretungen zwingen. Was damals die frühe Neuzeit noch ungemütlicher machte, als sie ohnehin schon war, muss uns heute hilfreich erscheinen: Könnte uns eine schwächelnde Sonne nicht vor den schlimmsten Auswirkungen der globalen Klimaerwärmung bewahren?

Tatsächlich gibt es Hinweise, etwa aus Beryllium-10-Daten verschiedener Sedimentschichten, dass die Sonne schon früher Maunder-ähnliche Minima durchgemacht hat. Was aber die Auswirkungen auf das globale Klima angeht, so waren zumindest die jüngsten Schwankungen der Sonnenaktivität mit großer Sicherheit folgenlos. Vermutungen über einen Zusammenhang mit der Wolkenbedeckung haben sich nicht erhärtet, und seit Beginn der Satellitenmessungen 1978 blieb die auf die Erde auftreffende Sonnenenergie von einem Fleckenmaximum zum nächsten praktisch konstant. Aber selbst im Maunder-Minimum ging die Wärmeeinstrahlung der Sonne auf die Erde gerade einmal um das Zehntel eines Prozents zurück. Der genaue Zusammenhang von Maunder-Minimum und Kleiner Eiszeit ist daher immer noch Gegenstand der Forschung. Vermutlich hatte die Abkühlung auch noch andere Ursachen, zumal sie in der Strenge, die man in Europa zu spüren bekam, vielleicht gar kein globales Phänomen war. Trotzdem haben sich Klimaforscher natürlich überlegt, was wohl aus dem aktuellen Klimawandel würde, träte die Sonne demnächst in ein neues Maunder-Minimum ein. 


Explizit hat diese Frage bereits vor zehn Jahren Dan Lubin von der Scripps Institution of Oceanography im kalifornischen La Jolla zusammen mit zwei Kollegen untersucht. In den Geophysical Research Letters kamen sie damals zu dem Schluss, dass eine Welt mit vorindustriellen Treibhausgas-Werten durch ein Maunder-Minimum global um gerade einmal 0,35 Grad abgekühlt würde. Sollten wir es schaffen, den CO2-Gehalt der Atmosphäre durch radikale Emissionsreduktionen auf 550 ppm zu begrenzen – das optimistischste Szenario, das die Berichte des Weltklimarates IPCC diskutieren -, so würde ein dann einsetzendes neues Maunder-Minimum eine Abkühlung von 0,25 Grad bewirken. Das vergleiche man mit dem vollen Grad Erwärmung, das die industrialisierte Menschheit dem Klima bereits eingebrockt hat. Eine Schwächephase der Sonne, wie sie vielleicht zur Kleinen Eiszeit beigetragen hat, reicht damit nicht, uns heute eine weitere Erderwärmung zu ersparen.

Ohnehin scheint die Sonne nicht vorzuhaben, ihre Aktivität bald derart zu senken. Andererseits wird sie auch nicht spürbar munterer. Zu diesem Schluss kam jedenfalls das von Nasa und Noaa eingesetzte Expertengremium. „Offenbar wird sich die gegenwärtige Periode niedriger Aktivität – verglichen mit den in den vergangenen fünfzig Jahren vorherrschenden starken Zyklen – in den nächsten elf Jahren fortsetzen“, sagt Robert Cameron vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen, der in dem Gremium mitgewirkt hat. Der Sonnenzyklus Nummer 25, so die Experten, wird seinem Vorgänger recht ähnlich sein.

Im Dezember 2019 hat der nun 25. Zyklus begonnen: Dieser wird der Prognose (gelb) zufolge 2025 sein Maximum erreichen. Mit einer Sun Spot Number, SSN, von 115 wird es etwa so stark sein wie das letzte, das es 2014 auf eine SSN von 120 brachte.
Im Dezember 2019 hat der nun 25. Zyklus begonnen: Dieser wird der Prognose (gelb) zufolge 2025 sein Maximum erreichen. Mit einer Sun Spot Number, SSN, von 115 wird es etwa so stark sein wie das letzte, das es 2014 auf eine SSN von 120 brachte.
Dabei herrscht Zuversicht, dass die Forscher diesmal richtiger liegen als beim letzten Mal. „Wir waren sehr nahe dran beim Zyklus 24", sagt Doug Biesecker von der Noaa, der zweite Kovorsitzende des Gremiums. „Die Vorhersage der Sonnenflecken war innerhalb des Fehlerbalkens. Beim Timing des Maximums lagen wir allerdings falsch.“ Das habe daran gelegen, dass man die Sonne als einen großen Gasball behandelt habe. „Doch die Süd- und die Nordhemisphäre verhalten sich unabhängig. Und im letzten Zyklus waren beide phasenverschoben, mehr als jemals zuvor. Das hat unsere Prognose etwas ruiniert.“ Die aktuelle Vorhersage stütze sich besonders auf Beobachtung der Magnetfelder in den Polarregionen der Sonne. „Etwas anderes, worauf man schauen kann, ist die Zahl der Tage ohne Flecken“, sagt Lisa Upton. „Wenn man das aktuelle Minimum und das vor dem Zyklus 24 anschaut, sieht man bei beiden sehr lange Perioden fleckenloser Tage. Das ist ein Indikator dafür, dass wir wieder einen schwachen Zyklus bekommen.“

Eine tendenziell ruhigere Sonne ist grundsätzlich eine gute Nachricht für alle, denen Magnetfeldschwankungen und Teilchenschauer das Leben schwermachen können: Betreiber von Stromnetzen, Fluglinien und andere, die von funktionierenden Kommunikationssatelliten oder GPS abhängig sind. „Das geht bis hin zu den Leuten, die bei Hochzeiten Tauben fliegen lassen“, sagt Biesecker. Denn ein zünftiger Sonnensturm kann das Erdmagnetfeld so weit verbiegen, dass Tiere, die sich daran orientieren, nicht mehr nach Hause finden. Die Noaa betreibt daher ein eigenes Space Weather Prediction Center mit direktem Draht etwa zu Stromerzeugern und Luftverkehrswirtschaft. Weltraum-Meteorologie kann sich allerdings nicht auf allgemeine Vorhersagen zum nächsten Zyklus beschränken. Die von einem Aktivitätsausbruch auf der Sonne ausgelösten Teilchenschauer sind bis zur Erdbahn zwischen zehn Minuten und einigen Tagen unterwegs – Vorwarnzeiten, die nur hat, wer das Zentralgestirn ständig im Auge behält. Dazu dient heute auch eine Flotte von Raumsonden, die von 2024 an erneuert und weiter ausgebaut werden soll. Unter anderem hat die europäische Esa vor, ein Sonnenteleskop im sogenannten fünften Lagrangepunkt, dem „L5", zu parken, wo es hinter der Erde her um die Sonne kreist, um im Verein mit anderen Sonden das All-Wettergeschehen zwischen Sonne und Erde dreidimensional im Blick zu haben. Und sobald es einmal ernst wird mit bemannten Missionen zum Mars, wird das interplanetare Beobachtungsnetz entsprechend erweitert werden müssen.

Denn auch eine vergleichsweise ruhige Sonne kann sehr unangenehm werden. „Wir sagen jetzt: Zyklus 25 wird sonnenfleckenmäßig so ähnlich wie Zykus 24 werden“, sagt Doug Biesecker. „Aber Zyklus 24 hat im Juli 2012 einen monumentalen Super-Sonnensturm hervorgebracht, der allerdings die Erde verfehlte.“ Hätte er getroffen, wäre das mindestens dem sogenannten Carrington-Event von 1859 gleichgekommen, dem schlimmsten jemals über unseren Planeten hereingebrochenen Weltraumunwetter, von dem wir Kenntnis haben. Der konnte damals allerdings nur Telegraphenleitungen lahmlegen. Für die heutige elektronische Infrastruktur wäre solch ein Ereignis eine apokalyptische Bedrohung. Anfang 2014 hat der Physiker Pete Riley im Fachjournal Space Weather – auch das gibt es – abgeschätzt, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass in den folgenden zehn Jahren ein Sonnenausbruch dieser Stärke die Erde heimsucht. Er kam auf 12 Prozent.


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Quelle: F.A.Z.

Veröffentlicht: 19.10.2020 11:17 Uhr