Der Sonnenwind: Wie die Sonne ihr eigenes Weltraumwetter macht

Wenn wir an die Sonne denken, stellen wir uns normalerweise eine leuchtende Kugel im Weltraum vor, die mit Tausenden von Grad Fahrenheit davonbrennt und Licht auf den Rest des Sonnensystems wirft, das sie umkreist. Aber dank ist sie noch viel aktiver als dasder Sonnenwind.

Die Idee des Sonnenwinds mag auf den ersten Blick nicht intuitiv sein, aber er ist eines der faszinierendsten Merkmale unserer Sonne. Aber was ist das und was bedeutet er für uns hier auf der Erde?

Glücklicherweise kann uns der Sonnenwind hier auf der Erde nichts anhaben zumindest nicht direkt, aber er ist verantwortlich für eines der berühmtesten Naturphänomene der Welt, daher ist Ihnen der Sonnenwind wahrscheinlich besser bekannt alsdu merkst es sogar.

Was ist Sonnenwind?

Der Sonnenwind ist der Konstanter Strom geladener Teilchen von der Sonne nach außen fließend.

Es wird durch die nach außen gerichtete Expansion von Plasma aus dem erzeugt Sonnenoberfläche verursacht durch die extreme Hitze der Kernfusionsreaktionen, die im Inneren der Sonne stattfinden.

Diese Hitze erzeugt einen enormen Druck nach außen, der gegen die nach innen gerichtete Anziehungskraft der Sonne drückt. Dieses Gleichgewicht zwischen expandierendem Plasma und der Kontraktionskraft erzeugt die Sonnenatmosphäre, die als Korona bekannt ist.

Der Sonnenwind entsteht, wenn die Hitze und der Druck von unten stärker sind als die Schwerkraft und das geladene Plasma in der Korona entlang der Linien des Magnetfelds der Sonne in den Weltraum entweichen kann.

Dieser Prozess findet auf der ganzen Oberfläche der Sonne statt, und da sich die Sonne dreht, hat dies den Effekt, dass die Linien ihres Magnetfelds über ihren Polen gewunden werden. Und da die geladenen Teilchen, die aus der Sonne entkommen, entlang dieses Magnetfelds wandernLinien, sie fahren diese Spirale in einem konstanten Strom in den Weltraum hinaus.

Ist Sonnenwind tatsächlich Wind?

Der Sonnenwind besteht aus geladenen Teilchen, also ist er kein perfektes Analogon zu der Art von Wind, die wir hier auf der Erde haben, aber es gibt einige sehr auffällige Ähnlichkeiten.

Während der Sonnenwind ständig produziert wird, ist seine Intensität alles andere als konstant, ähnlich wie Winde hier auf der Erde.

Während Pausen im 11-jährigen Sonnenzyklus, wenn komplexe Strukturen wie koronale Löcher und Sonnenflecken weniger häufig sind, könnte der Sonnenwind mit einer Brise verglichen werden. In Zeiten, in denen die Sonne aktiver ist, nimmt der Sonnenwind viel mehr ankomplexer Charakter.

Während diese als Analoga für jahreszeitliche Veränderungen des Erdklimas angesehen werden könnten – wie die Hurrikansaison oder schneereiche Winter in höheren Breiten – ist der Vergleich aufgrund der Ladungen der Partikel im Wind selbst etwas komplizierter.

Ein direkteres Analogon zum Erdwind ist jedoch der typische Sonnenwind fließt über den Polarregionen fast doppelt so schnell von der Sonne ab wie in der Nähe seines Äquators.

Dieser Unterschied in den Sonnenwindgeschwindigkeiten in verschiedenen Sonnenbreiten erzeugt Regionen mit hoher und niedriger Dichte und Wind mit hoher Geschwindigkeit, der mit dem Wind mit niedrigerer Geschwindigkeit interagiert, um sogenannte korotierende Wechselwirkungsregionen zu erzeugen.

Diese Regionen haben eine viel höhere Dichte und ein starkes Magnetfeld. Wenn wir hier bei den Analogien bleiben, sind diese gleichläufigen Wechselwirkungsregionen hier auf der Erde mit Sturmfronten vergleichbar.

Sie nennen es nicht umsonst Weltraumwetter.

Woraus besteht Sonnenwind?

Die Sonne ist hauptsächlich Wasserstoffgas, aber es gibt eine Reihe anderer Elemente, die durch den Kernfusionsprozess produziert werden, und sie alle bilden den Sonnenwind.

Die überwiegende Mehrheit des Sonnenwinds besteht aus ionisiertem Wasserstoff einzelne Protonen und Elektronen, gefolgt von weniger als 10 % ionisiertem Helium.

Helium ist das primäre Nebenprodukt der Kernreaktionen der Sonne, angesichts der Fülle an Wasserstoff an dieser StelleLebensabschnitt der Sonne, aber dieses Helium sitzt nicht nur herum und wartet darauf, dass etwas zu tun ist.

Die Reaktionen, die im Kern der Sonne auftreten sind, gelinde gesagt, komplex, aber Wasserstoff und Helium verschmelzen mit anderen Partikeln, um Lithium, Beryllium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Silizium und andere schwere Elemente bis hin zu und einschließlich Eisen zu produzieren.

Alle diese Elementezu finden im Sonnenwind, obwohl schwerere Elemente nur einen winzigen Bruchteil seiner Gesamtzusammensetzung ausmachen.

Das einzige, was Sie jedoch nicht finden werden, sind viele Atome mit einer gleichen Anzahl von Elektronen wie Protonen.

Die Temperatur der Sonne entfernt einfach Elektronen von allen Atomkernen, um ein geladenes Plasma und eine Masse freier Elektronen zu erzeugen, die zu entgegengesetzten Magnetfeldlinien gezogen werden, sobald sie durch die inneren Schichten der Sonne und in die Korona der Sonne abgestrahlt werden. Obwohl der Sonnenwind elektrisch ausgeglichen ist, besteht er fast ausschließlich aus geladenen Teilchen.

Die Magnetfeldlinien, die der Sonnenwind von der Sonne wegreitet, halten im Allgemeinen Elektronen und ionisierte Teilchen getrennt, wenn der Wind in das Sonnensystem eindringt.

Was bewirkt der Sonnenwind?

Der Sonnenwind ist ein hochgeladener Partikelstrom, der sich mit einer Geschwindigkeit von Hunderten von Kilometern pro Sekunde fortbewegt. Auch wenn wir nur über Elektronen und einzelne geladene Ionen aus hauptsächlich Wasserstoff sprechen, würden Sie nicht glauben, dass der Sonnenwind das hättegroße Wirkung.

Sie müssen jedoch daran denken, dass wir über a sprechenviel von geladenen Teilchen, die von der Sonne weggeblasen werden. Wenn Sie jemals eine totale Sonnenfinsternis gesehen haben, blicken Sie auf die Korona der Sonne, wenn der helle Feuerring sichtbar wird, den sie erzeugt.

Diese flammenähnlichen Finger, die sich in den Weltraum ausstrecken, können sich über Millionen von Kilometern erstrecken, bevor sie sich allmählich in den Sonnenwind verwandeln.

Wenn wir hier auf der Erde von einem einzigen Sonnenwindstoß getroffen würden, würde sich der Effekt in dieser Entfernung kaum bemerkbar machen abgesehen von einigen Einzelheiten, auf die wir gleich noch eingehen werden. Aber die Sache ist, nichts in das Sonnensystem wird von einer einzelnen Explosion von Partikeln getroffen, wir werden von einem Feuerschlauch aus Protonen und Elektronen besprüht, und diese Partikel werden mit Atomen auf und ab interagieren.

Im Laufe der Zeit können diese Wechselwirkungen verheerend sein. Es wird angenommen, dass der Mars noch vor 3 Milliarden Jahren eine sehr erdähnliche Atmosphäre hatte, aber heute ist nur noch wenig davon übrig.

Der aktuelle Konsens ist, dass der stetige Strom geladener Teilchen die Marsatmosphäre effektiv in den Weltraum sandgestrahlt hat. Das Fehlen einer schützenden Atmosphäre könnte dann die ursprünglichen Seen und Ozeane des Mars verdampft haben, eine öde, leblose Welt hinterlassen.

Alles im Sonnensystem wird auf die eine oder andere Weise vom Sonnenwind beeinflusst, obwohl einige Dinge – wie die Erde – besser standhalten als andere.

Was schützt die Erde vor Sonnenwind?

Glücklicherweise hat die Erde den Vorteil eines festen inneren Kerns und eines flüssigen äußeren Kerns, die beide hauptsächlich aus Eisen bestehen. Dies wirkt als Dynamo, der ein starkes Magnetfeld um den Planeten herum erzeugt.

Und da der Sonnenwind aus geladenen Teilchen besteht, interagiert er sehr stark mit diesem Magnetfeld und bewegt sich auf den Magnetfeldlinien um die Erde herum, anstatt die Erde frontal in einem ununterbrochenen Bombardement zu sprengen.

Ohne ein starkes Magnetfeld würde die Erde heute wahrscheinlich dem Mars sehr ähnlich sehen, und es ist wahrscheinlich, dass sich das Leben auf der Erde nie über die grundlegendsten Archaeen und einzelligen Organismen hinaus entwickelt hätte, bevor der Planet für das Leben, wie wir es kennen, unwirtlich wurde.

Was passiert also, wenn Sonnenwind auf die Erde trifft?

Während Das Magnetfeld der Erde ist stark genug Um die meisten Sonnenwinde abzulenken, schafft es ein Teil davon immer noch, an Punkten durchzukommen, an denen die magnetischen Feldlinien, auf denen die Partikel reiten, durch die Magnetpole der Erde verlaufen.

Diese Partikel interagieren mit der Atmosphäre und erzeugen eine spektakuläre Lichtshow, die wir Polarlichter nennen. Normalerweise auf die äußersten nördlichen und südlichen Breiten um den arktischen und antarktischen Kreis beschränkt, wenn der Sonnenwind stärker als gewöhnlich ist – beispielsweise während besonders aktiver Periodendes Sonnenzyklus – diese Polarlichter sind in niedrigeren Breiten zu sehen.

Nun, all das bedeutet nicht, dass der Sonnenwind in den letzten Jahren kein Problem für uns war. Vor der weit verbreiteten Elektrifizierung und der Erfindung der Elektronik beschränkte sich unsere Beziehung zum Sonnenwind wirklich nur auf das Vorhandensein von Polarlichtern. Als wir anfingenDie Nutzung von Elektrizität zur Versorgung eines größeren Teils unserer modernen Welt, jedoch ist der Sonnenwind zu einem viel größeren Problem geworden.

Da der Sonnenwind definitionsgemäß eine starke elektromagnetische Ladung trägt, kann er die elektrische Infrastruktur schwer beschädigen und elektronische Geräte wie Satelliten im erdnahen Orbit durchbrennen lassen.

Und selbst wenn er nichts direkt zerstört, kann der Sonnenwind immer noch unvorhersehbare Auswirkungen auf unsere Umwelt haben, die wir gerade erst zu verstehen beginnen. SpaceX verlor kurz nach dem Einsatz 40 brandneue Starlink-Satelliten, als starke Sonnenwinde mit ihnen interagiertenErdatmosphäre, wodurch sie sich nach außen ausdehnt.

Dies führte zu einem unerwarteten und starken Anstieg des atmosphärischen Widerstands, den die Satelliten erfuhren, und hinderte sie daran, auf ihre geplante Umlaufbahnhöhe zu steigen. Infolgedessen mussten die Satelliten aufgegeben werden, um in der Atmosphäre zu verbrennen, obwohl der Sonnenwind dies nicht tatkeine direkten Schäden an den Satelliten selbst verursachen.

Wer hat den Sonnenwind entdeckt?

Angesichts der Tatsache, dass zwei der dramatischsten Himmelsbeobachtungen – Polarlichter und eine totale Sonnenfinsternis – beide eng mit Sonnenwinden verbunden sind, ist es etwas überraschend, dass niemand die Verbindung herstellte, bis ein US-Physiker namens Eugen Parker 1957.

Parker schlug eine komplexe Wechselwirkung zwischen Fusion, Elektromagnetismus und hochgeladenem Sonnenplasma vor und nannte das Ergebnis "Sonnenwind". Als Parker einen Artikel über die Idee beim Astrophysikalische Zeitschrift, die Rezensenten waren vernichtend. Der Herausgeber der Zeitschrift, der renommierte Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, konnte jedoch nichts Falsches an Parkers Mathematik finden, also setzte er sich über die Rezensenten hinweg und veröffentlichte die Arbeit.

Nur drei Jahre später nahm die Mariner II-Sonde der NASA auf ihrer Reise zur Venus Messungen vor, die Parker als richtig bestätigten.und seine Theorie wurde bald zum wissenschaftlichen Konsens.

Als die Menschheit begann, Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, konnten wir mehr Details über den Sonnenwind selbst bestätigen.

"Ein Großteil seiner Pionierarbeit, die durch nachfolgende Raumfahrzeuge bewiesen wurde, definierte einen Großteil dessen, was wir über die Wechselwirkungen des Sonne-Erde-Systems wissen," NASA schrieb über Parker.

"Mehr als ein halbes Jahrhundert später liefert die Parker Solar Probe-Mission nun wichtige Beobachtungen zu Parkers bahnbrechenden Theorien und Ideen, die eine Generation von Wissenschaftlern über die Sonnenphysik und die Magnetfelder um Sterne informiert haben."

Was ist der Unterschied zwischen Sonneneruption und Sonnenwind?

Sonneneruptionen und Sonnenwind klingen ähnlich, aber es gibt einige sehr wichtige Unterschiede zwischen den beiden, da es sich um sehr unterschiedliche Phänomene handelt.

Erstens sind Sonneneruptionen die plötzliche, lokalisierte Eruption elektromagnetischer Strahlung in der Sonnenatmosphäre; sie sind keine Eruption von Partikeln.

Zweitens werden sie durch einen anderen Prozess als der Sonnenwind erzeugt. Es gibt immer noch Debatten darüber, aber es wird allgemein angenommen, dass Sonneneruptionen in stark magnetisch aktiven Regionen der Sonnenatmosphäre auftreten, wenn geladene Teilchen auf annähernd die Geschwindigkeit beschleunigt werdenLicht und interagieren mit dem Plasma der Sonne.

Eine mögliche Ursache dafür könnte etwas sein, das als magnetische Wiederverbindung bekannt ist, ein physikalischer Prozess, bei dem die starken magnetischen Feldlinien interagieren und sich neu anordnen. Dies nimmt magnetische Energie auf und wandelt sie in kinetische und thermische Energie um, was die plötzliche Beschleunigung von Ladungen erzeugen kannTeilchen wie Elektronen.

Eine Theorie von wie das in der Sonne passiert ist, wenn sich Solararkaden, eine enge Reihe von koronalen Schleifen, entlang Magnetfeldlinien bilden, die sich dann wieder magnetisch mit einer anderen Arkade verbinden und eine plötzlich magnetisch getrennte Spirale bilden.

Diese Trennung würde dann eine enorme Energiemenge über das elektromagnetische Spektrum freisetzen, was wir als Sonneneruption sehen.

Der Grund, warum die meisten Menschen Sonneneruptionen mit dem Sonnenwind in Verbindung bringen, ist das, was wir manchmal nach einer Sonneneruption sehen können. Auf diesen Energieschub in der Korona folgt manchmal ein koronaler Massenauswurf, bei dem es sich um einen plötzlichen Ausbruch von geladenem Plasma handeltdie Korona und in den Sonnenwind.

In unserem Weltraumwetter-Analogiesystem ist ein koronaler Massenauswurf für den Sonnenwind, was ein Hurrikan für einen angenehmen Tag am Strand ist. Die meisten unserer Bedenken betreffen das Weltraumwetter, das Satelliten zerstört, Stromnetze ausschaltet und sogar zum Absturz bringtim Internet geht es wirklich nur um koronale Massenauswürfe.

Die Plasmamenge, die durch einen koronalen Massenauswurf in den Weltraum geschleudert werden kann, ist um Größenordnungen größer als bei einem aktiven Sonnenwindereignis, und wenn die Erde heute von einem großen koronalen Massenauswurf getroffen würde, würde dies den Erdmagneten überwältigenFeld und bombardieren den Planeten direkt mit hochgeladenen Teilchen.

Um es klarzustellen, abgesehen von denen mit Herzschrittmachern oder ähnlichen medizinischen Geräten würde dies keinen allzu großen Unterschied zum Leben am Boden machen.

Nur wenige Menschen würden etwas anderes bemerken – außer vielleicht, dass sie staunend in den Himmel über Equador starren, der sich plötzlich mit Polarlichtern füllt.

Tatsächlich glauben Wissenschaftler, dass die Erde in den letzten 4,5 Milliarden Jahren unzählige Male von solchen koronalen Massenauswürfen getroffen wurde und wir alle immer noch hier sind.

Trotzdem leben wir in der modernen Welt, und angesichts ihrer Häufigkeit und einfachen Wahrscheinlichkeit werden wir irgendwann in der Zukunft von einem weiteren massiven koronalen Massenauswurf getroffen werden – wahrscheinlich früher, als die meisten von uns glauben.

Wir sollten uns unbedingt auf diese Unvermeidlichkeit vorbereiten, und ein wichtiger Teil davon ist das Studium des Weltraumwetters und der Rolle, die der Sonnenwind bei der Gestaltung des Sonnensystems spielt, in dem wir leben.