Die Parker Solar Probe der NASA hat triumphierend die Ursache von Sonnenstürmen während einer mutigen Erforschungsmission identifiziert. Im November 2021 unternahm die Sonde eine riskante Annäherung an die Sonne bis auf eine Entfernung von 8,5 Millionen Kilometern und entdeckte dabei die detaillierte Struktur des Sonnenwindes. Dieser stößt enorme Mengen geladener Partikel durch Lücken in der Sonnenkorona, der Atmosphäre der Sonne, ins gesamte Sonnensystem.

NASA ermöglicht wichtige Erkenntnis

Laut den Physikern Stuart Bale von der University of California, Berkeley, und James Drake von der University of Maryland, College Park, haben uns die von der Sonde gesammelten Daten den bisher genauesten Einblick in die Entstehung der schnellen Sonnenwinde gegeben. Sie legen nahe, dass eine bestimmte Art von magnetischer Rückkopplung für den Antrieb dieser gewaltigen Naturkraft verantwortlich ist.

Drake betont die praktischen Auswirkungen dieses mit Hilfe der NASA erlangten Wissens: „Die Winde transportieren viele Informationen von der Sonne zur Erde, so dass das Verständnis des Mechanismus hinter dem Sonnenwind für die Erde von praktischer Bedeutung ist. Das wird sich auf unsere Fähigkeit auswirken, zu verstehen, wie die Sonne Energie freisetzt und geomagnetische Stürme antreibt, die eine Bedrohung für unsere Kommunikationsnetze darstellen.“

Die Auswirkungen von Sonnenstürmen können vielfältig sein, insbesondere auf Technologien, die auf Magnetfelder und elektromagnetische Wellen angewiesen sind. Satelliten und Kommunikationssysteme können durch die intensive Strahlung gestört oder beschädigt werden, wodurch es zu Ausfällen bei GPS-Diensten, Rundfunk- und Internetverbindungen kommen kann. Auch Stromnetze sind anfällig für Überlastungen und Ausfälle.

Koronale Löcher, die auf den ersten Blick beunruhigend erscheinen mögen, sind in Wirklichkeit ein regelmäßiges Phänomen im Magnetfeld der Sonne. Diese Veränderungen im Magnetfeld zeigen sich als Phänomene in der Korona. Die Löcher entstehen, wenn sich die Magnetfeldlinien öffnen und nach außen ausdehnen, anstatt geschlossene Schleifen zu bilden. Dadurch entsteht in der Korona ein Fleck mit kühlerem, weniger dichtem Plasma, der zwar mit bloßem Auge nicht sichtbar ist, aber im extremen Ultraviolett viel dunkler erscheint.

Supergranulationszellen als Ursprung von Jets

Die Winde tragen geladene Teilchen weit in das Sonnensystem hinein, wo sie mit der oberen Atmosphäre der Erde interagieren und prächtige Polarlichter sowie mögliche Störungen des Satellitenbetriebs und des Funkverkehrs verursachen können. Während des elf-jährigen Aktivitätszyklus der Sonne können koronale Löcher jederzeit auftreten, aber während des Sonnenminimums bleiben sie in der Regel in der Nähe der Pole, während des Sonnenmaximums sind sie zahlreicher und weiter verbreitet.

Als sich die Parker-Sonde im November 2021 der Sonne näherte, konnte sie ein günstig gelegenes koronales Loch beobachten und lieferte damit die bisher genauesten Beobachtungen dieser Regionen. Die gewonnenen Daten zeigten, dass koronale Löcher wie ein Duschkopf funktionieren: An den Stellen, an denen die Magnetfeldlinien in die Sonnenoberfläche ein- und ausströmen, entstehen in etwa gleichmäßige Strahlen. Diese Jets entstehen durch das, was Bale als „Supergranulationszellen“ bezeichnet. Dabei handelt es sich Bereiche, in denen großräumige Konvektionsströme das Magnetfeld in eine nach unten gerichtete trichterförmige Struktur ziehen und das Magnetfeld verstärken.

„Er kommt nicht einfach von überall“

Das Team fand im Rahmen seiner Studie heraus, dass sich in magnetisch komplexen Gebieten auf der Sonne die Magnetfeldlinien in einem gewaltigen Prozess, der als magnetische Rekonnektion bekannt ist, verheddern, zerreißen und wieder verbinden können. Dieser Prozess setzt eine große Menge an Energie frei. Sie stellen die Hypothese auf, dass der Sonnenwind entstehen könnte, wenn sich offene und geschlossene Magnetfelder in einem Prozess wieder verbinden, der als Austausch-Rekonnektion bezeichnet wird.

Alternativ könnte der Wind auch durch die Beschleunigung von Teilchen durch Alfvén-Wellen in koronalen Löchern entstehen. Die Daten der Sonde der NASA zeigen, dass sich die Teilchen mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten fortbewegen. Das deutet darauf hin, dass die Austauschverbindung wahrscheinlicher ist als die Beschleunigung durch Alfvén-Wellen. Bale schlussfolgert, „dass die magnetische Rekonnexion innerhalb dieser Trichterstrukturen die Energiequelle für den schnellen Sonnenwind darstellt“.

„Er kommt nicht einfach von überall in einem koronalen Loch, sondern ist innerhalb der koronalen Löcher zu diesen Supergranulationszellen unterstrukturiert. Sie kommt von diesen kleinen Bündeln magnetischer Energie, die mit den Konvektionsströmen verbunden sind. Unsere Ergebnisse sind unserer Meinung nach ein starker Beweis dafür, dass die Rekonnexion dafür verantwortlich ist.“

Stuart Bale

Quelle: University of California; „Interchange reconnection as the source of the fast solar wind within coronal holes“ (Nature, 2023)

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