Rätselhafte Protuberanzen: Wie kühles Plasma in der Sonnenhölle überlebt
Warum kühles Plasma in der Millionen Grad heißen Korona überlebt: Neue Einblicke in Protuberanzen und ihre Dynamik.
Diese unwirkliche, sich ständig verändernde Landschaft zeigt, wie die Sonne aus nächster Nähe aussieht. Der „Solar Orbiter“ der ESA hat den Übergang von der unteren Atmosphäre der Sonne zur wesentlich heißeren äußeren Korona gefilmt. Die haarartigen Strukturen bestehen aus geladenem Gas (Plasma) und folgen den Magnetfeldlinien, die aus dem Inneren der Sonne hervortreten. Die hellsten Bereiche haben eine Temperatur von etwa einer Million Grad Celsius, während kühleres Material dunkel erscheint, da es Strahlung absorbiert.
Foto: picture alliance / Cover Images | ESA/Cover Images
Forschende des Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) haben in Simulationen gezeigt, wie Protuberanzen in der heißen Sonnenkorona entstehen und über längere Zeit stabil bleiben. Entscheidend ist ein kontinuierlicher Materialkreislauf: Plasma wird aus tieferen Schichten nachgeliefert, während gleichzeitig Material in der Korona abkühlt und sich verdichtet. Das verbessert die physikalische Grundlage für Vorhersagen des Weltraumwetters.
Inhaltsverzeichnis
Berge aus Plasma
In der Sonnenkorona herrschen Temperaturen von bis zu 1 bis 2 Mio. °C. Umso auffälliger ist, dass sich dort Strukturen halten, die deutlich kühler sind. Protuberanzen bestehen aus Plasma mit etwa 10.000 bis 20.000 °C und sind zugleich mehr als hundertmal dichter als ihre Umgebung.
Diese Gebilde wirken wie schwebende Bögen oder Schleifen. Physikalisch sind sie jedoch instabil wirkende Materieansammlungen. Lange war unklar, warum sie sich über Wochen halten können – ohne sich schnell aufzuheizen oder entlang der Magnetfeldlinien zu zerstreuen. Die aktuelle Studie, veröffentlicht in Nature Astronomy, liefert dafür eine konsistente Erklärung.
Stabil, aber nie im Gleichgewicht
Protuberanzen sind keine festen Strukturen. Sie verändern sich ständig. Mal bleiben sie über längere Zeit stabil, mal lösen sie sich abrupt und schleudern große Mengen Plasma ins All. Treffen solche Auswürfe auf die Erde, können sie Satelliten, Stromnetze und Kommunikationssysteme stören.
Sami K. Solanki vom MPS erläutert: „Um die Infrastruktur der Erde rechtzeitig zu schützen, sind zuverlässige Vorhersagen gefährlichen Weltraumwetters erforderlich. Ein tieferes Verständnis von Protuberanzen ist ein entscheidendes Puzzleteil.“
Die neuen Simulationen gehen einen Schritt weiter als frühere Arbeiten. Sie betrachten nicht nur die Korona, sondern auch die darunterliegenden Schichten der Sonne. Dort erzeugen turbulente Strömungen die Magnetfelder, die bis in die äußere Atmosphäre reichen und die Protuberanzen überhaupt erst formen.
Magnetfelder als Strukturgeber
Im Zentrum der Analyse steht die Geometrie der Magnetfelder. Häufig bilden die Feldlinien Doppelbögen. Dazwischen entsteht eine Art Senke, in der sich Plasma sammeln kann.
Die untersuchten Protuberanzen erreichen Höhen von bis zu etwa 20.000 km und gehören damit zur kleineren Klasse dieser Strukturen.
Zwei Mechanismen liefern kontinuierlich Material nach:
- Massenzufuhr aus der Chromosphäre
Kleinräumige, turbulente Änderungen im Magnetfeld transportieren immer wieder Plasma aus der kühleren Chromosphäre nach oben in die Korona. - Abkühlung und Verdichtung in der Korona
Heißes Plasma strömt entlang der Feldlinien in die Senken, verliert dort Energie, kühlt ab und erhöht lokal seine Dichte.
Warum die Strukturen bestehen bleiben
Ein Teil des Materials verlässt die Protuberanz wieder und fließt zurück in tiefere Schichten. Gleichzeitig wird jedoch ständig neues Material nachgeliefert. Genau dieses Zusammenspiel stabilisiert die Struktur.
Lisa-Marie Zeßner-Ondratschek vom MPS erklärt: „In der Sonnenatmosphäre ist das Magnetfeld die treibende Kraft. Es spielt auch eine entscheidende Rolle bei allen Prozessen, die zur Entstehung und Aufrechterhaltung der Protuberanzen beitragen.“
Frühere Modelle konzentrierten sich meist auf Prozesse in der Korona. Die neue Arbeit zeigt, dass der Nachschub aus tieferen Schichten eine zentrale Rolle spielt. Erst diese Kopplung erklärt, warum Protuberanzen über längere Zeit bestehen können.
Blick auf das Gesamtsystem Sonne
Die Ergebnisse zeigen klar: Prozesse unterhalb der sichtbaren Oberfläche beeinflussen direkt, was in der Korona passiert. Wer Protuberanzen verstehen will, muss die Sonne als zusammenhängendes System betrachten.
Zeßner-Ondratschek sagr: „Unsere Berechnungen zeigen realistischer als je zuvor, wie beide Prozesse zusammenwirken, um die Protuberanzen mit Material zu versorgen und sie so am Leben zu erhalten.“
Für die Forschung zum Weltraumwetter ist das ein wichtiger Schritt. Wenn sich besser abschätzen lässt, wann Protuberanzen instabil werden, lassen sich auch potenziell gefährliche Sonnenstürme früher erkennen. Damit gewinnt ein bislang schwer greifbares Phänomen an praktischer Relevanz.
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