Forschung

Die Taktgeber der Sonne

11.06.2021 - Neue Modellrechnungen erklären alle wichtigen bekannten Sonnenzyklen.

Nicht nur der prägnante Elf-Jahres-Zyklus, auch alle weiteren periodischen Aktivitäts­schwankungen der Sonne können durch Anziehungs­kräfte der Planeten getaktet sein. Zu diesem Schluss kommen Frank Stefani und seine Kollegen vom Institut für Fluiddynamik am HZDR und vom Institute of Continuous Media Mechanics im russischen Perm. Mit neuen Modell­rechnungen unterbreiten sie erstmals einen Vorschlag für eine umfassende Erklärung aller wichtigen bekannten Sonnenzyklen. Die längsten Aktivitäts­schwankungen über tausende Jahre entlarven sie dabei als chaotischen Prozess. Trotz der planetaren Taktung der kurzen und mittleren Zyklen werden Langzeit­prognosen der Sonnen­aktivität somit unmöglich.

Seit langem fahnden Sonnenphysiker weltweit nach zufrieden­stellenden Erklärungen für die vielen zyklischen, sich überlagernden Aktivitäts­schwankungen der Sonne. Denn neben dem bekanntesten, etwa elfjährigen „Schwabe-Zyklus“ zeigt die Sonne auch längere Schwankungen von hunderten bis tausenden von Jahren. Sie folgt dabei insbesondere dem „Gleißberg-Zyklus“ (etwa 85 Jahre), dem „Suess-de Vries-Zyklus“ (etwa 200 Jahre), und dem Quasi-Zyklus der „Bond-Ereignisse“ (etwa aller 1500 Jahre), jeweils nach ihren Entdeckern benannt. Unumstritten ist, dass das Sonnen­magnetfeld diese Aktivitäts­schwankungen steuert. Warum sich das Magnetfeld aber überhaupt ändert, dafür gehen Erklärungen und Modelle in Fachkreisen teils weit auseinander. Ist die Sonne fremd­gesteuert oder liegt der Grund für die vielen Zyklen in besonderen Eigenarten des Sonnendynamos selbst? Auch Frank Stefani und seine Kollegen suchen seit einigen Jahren nach Antworten – vor allem auch auf die sehr kontrovers diskutierte These, ob Planeten eine Rolle für die Sonnen­aktivität spielen.

Zuletzt haben die Forscher die Bahnbewegung der Sonne näher betrachtet. Die Sonne steht nicht fest im Zentrum des Sonnensystems: Sie führt eine Art Tanz im gemeinsamen Schwerefeld mit den masse­reichen Planeten Jupiter und Saturn aus – und zwar in einem Takt von 19,86 Jahren. Von der Erde ist bekannt, dass das Herum­schleudern auf ihrer Bahn kleine Bewegungen im flüssigen Erdkern auslöst. Etwas Ähnliches geschieht auch im Inneren der Sonne, wurde aber bislang im Hinblick auf ihr Magnetfeld vernachlässigt. Die Idee der Forscher: Ein Teil des Bahn­drehmoments der Sonne könnte sich auf ihre Rotation übertragen und somit den inneren Dynamo­prozess beeinflussen, durch den das Sonnen­magnetfeld entsteht. Denn eine solche Kopplung würde ausreichen, die extrem empfindliche magnetische Speicher­fähigkeit der Tachokline zu verändern, einer Übergangs­region zwischen unterschiedlichen Arten des Energie­transports im Inneren der Sonne. „Die aufgewickelten Magnetfelder könnten dann leichter zur Oberfläche der Sonne heraus­schnipsen“, erläutert Stefani.

Die Forscher integrierten eine solche rhythmische Störung der Tachokline in ihre bisherigen Modell­rechnungen eines typischen Sonnen­dynamos – und konnten dadurch gleich mehrere, aus den Beobachtungen bekannte, zyklische Phänomene reproduzieren. Das Bemerkens­werteste: Neben dem 11,07 Jahre langen Schwabe-Zyklus, den sie bereits in vorher­gehenden Arbeiten modelliert hatten, veränderte sich die Stärke des Magnetfeldes jetzt zusätzlich in einem Takt von 193 Jahren – dies könnte der Suess-de Vries-Zyklus der Sonne sein, der aus Beobachtungen mit 180 bis 230 Jahren angegeben wird. Rechnerisch entstehen die 193 Jahre als eine Schwebungs­periode zwischen dem 19,86-Jahres-Takt und dem zweifachen Schwabe-Zyklus, auch Hale-Zyklus genannt. Damit wäre der Suess-de Vries-Zyklus das Ergebnis einer Kombination von zwei äußeren Taktgebern – den Gezeiten­kräften der Planeten und der Eigen­bewegung der Sonne im Schwerefeld des Sonnensystems.

Für den 11,07-Jahres-Zyklus hatten die Forscher bereits zuvor starke statis­tische Hinweise gefunden, dass dieser einer äußeren Uhr folgen muss. Diese „Uhr“ verknüpften sie mit den Gezeitenkräften der Planeten Venus, Erde und Jupiter. Deren Wirkung ist am stärksten, wenn die Planeten in einer Linie stehen: Eine Konstel­lation, die alle 11,07 Jahre auftritt. Wie für den 193-Jahres-Zyklus, war auch hier ein empfindlicher physikalischer Effekt entscheidend, um eine ausreichende Wirkung der schwachen Gezeiten­kräfte der Planeten auf den Sonnendynamo auszulösen. Nach anfäng­licher Skepsis gegenüber der Planeten­hypothese geht Stefani inzwischen davon aus, dass diese Zusammenhänge nicht zufällig sind. „Wenn die Sonne uns hier einen Streich spielen sollte, dann mit einer unglaublichen Perfektion. Oder aber wir haben in der Tat eine erste Ahnung von einem kompletten Bild der kurzen und langen Zyklen der Sonnen­aktivität.“ Tatsächlich bekräftigen die aktuellen Ergebnisse auch rückwirkend nochmals, dass der Elf-Jahres-Zyklus ein getakteter Prozess sein muss. Andernfalls wäre das Entstehen einer Schwebungs­periode mathematisch unmöglich.

Neben den eher kürzeren Aktivitäts­zyklen zeigt die Sonne auch Langzeittrends im Tausend-Jahre Bereich. Diese sind durch länger andauernde Aktivitäts­einbrüche geprägt, wie zuletzt das „Maunder-Minimum“ zwischen 1645 und 1715 während der kleinen Eiszeit. Durch statistische Analyse der beobachteten Minima konnten die Forscher zeigen, dass es sich bei diesen jedoch nicht um einen zyklischen Prozess handelt, sondern ihr Auftreten im Abstand von etwa tausend bis zweitausend Jahren einem mathe­matischen Zufalls­prozess folgt.

Um dies im Modell zu überprüfen, erweiterten die Forscher ihre Simulationen des Sonnen­dynamos auf einen längeren Zeitraum von 30.000 Jahren. Tatsächlich zeigten sich neben den kürzeren Zyklen alle 1000 bis 2000 Jahre irreguläre, plötzliche Einbrüche der magnetischen Aktivität. „Wir sehen in unseren Simu­lationen, wie sich eine Nord-Süd-Asymmetrie aufbaut, die irgendwann zu stark wird und aus dem Takt gerät, bis alles zusammenbricht. Das System kippt ins Chaotische und benötigt dann wieder eine Weile, in den Takt zurück­zufinden“, erläutert Stefani. Dieses Ergebnis bedeutet aber auch, dass sehr langfristige Prognosen der Sonnen­aktivität, etwa für ihren Einfluss auf Klima­entwicklungen, grundsätzlich kaum möglich sind.

HZDR / JOL

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