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Sonnenflecken:Theorie und
Beobachtung
Rolf Schlichenmaier
Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik; Schöneckstr. 6; 79104 Freiburg
Tel.: 3198-212
Email: [email protected]
Übersicht
Aufbau der Sonne
Sonnenflecken in der Photosphäre
Magnetfelder und Strömungen in Sonnenflecken
Fraunhofersche Absorptionslinie
Doppler-Effekt
Zeeman-Effekt
Polarisiertes Licht
Sonnenzyklus und Sonnendynamo
Modellierung der penumbralen Feinstruktur
Querschnitt der Sonne
Sonnenflecken auf der Sonnenscheibe
März bis Mai 2001: MDI on SOHO (NASA)
Sonnenflecken am Sonnenrand
Sonnenflecken in der Photosphäre
Umbra & Penumbra.
Feinstruktur:
•Penumbral grains
•Umbral dots
•Evershed Strömung
•Lichtbrücken
Granulation
Granulum & Intergranulum
•Bright points
•Magnetische Knoten
•Normale und anomale Granulation
Warum sind Sonnenflecken dunkel?
Hale (1908): Sonnenflecken sind assoziiert mit konzentriertem Magnetfeld.
Konvektionszone: Konvektion transportiert Energie.
Biermann (1941): Magnetfelder unterdrücken Konvektion.
Sonnenflecken sind also kühler und somit dunkler.
Magnetfelder und Strömungen
Hale glaubte, dass die Flecken durch dunkle Wolken in der solaren Atmosphäre verursacht werden, welche durch solare Tornados hervorgerufen werden. Die freien Elektronen fliegen im Kreis und produzieren einen Strom der die Magnetfelder erklärt.
Evershed versuchte daraufhin kreisförmigen Strömungen nachzuweisen.
Wie misst man Magnetfelder und Strömungen auf der Sonnenoberfläche?
Absorptionslinien, Doppler-Effekt, Zeeman-Effekt.
Die Photosphäre
Mehr als 99% des Lichtes von der Sonne stammt aus der Photosphäre
Photosphäre = Sonnenoberfläche
Das Strahlungsspektrum der Sonne
Strahlungsdichte als Funktion der Wellenlänge: Plancksches Strahlungsgesetz.
Die Photosphäre strahlt wie ein schwarzer Strahler mit ca. 5800 K.
Sonnenspektrum
Keine kreisförmigen Geschwindigkeitsfelder wie von Hale vermutet. Tornado als Erklärung für Flecken wird verworfen.
Strömungen in der Penumbra: Der Evershed-Effekt
Fleck bei θ = 23 Grad
Klassische Elektronentheorie (Lorentz):
Der Übergang wird als Dipolstrahlung eines Elektrons beschrieben. Die Schwingungs-richtung des Elektrons, die beliebig zu B steht, wird in 3 Ersatzoszillatoren zerlegt:
(1) schwingt parallel zu B.
(2) und (3) schwingen entgegengesetzt zirkular und senkrecht zu B.
(2) und (3) erfahren durch die Lorentzkraft eine positive und negative
Beschleunigung, wodurch sich ich ihre Kreisfrequenz
ändert, so dass diese beiden Komponenten energetisch aufspalten und zirkular polarisiert sind.
(1) ist linear polarisiert.
Die Aufspaltung durch den Zeeman-Effekt
Polarisiertes Licht: Die Stokes Parameter
Polarisiertes Licht: Messprinzip
I(λ), Q(λ), und U(λ) können mithilfe eines Polarisators analysiert werden.Für die Messung von V(λ) benötigt man zusätzlich ein λ/4-Plättchen.
Polarisiertes Licht: Spektropolarimetrische Messung
Messung der Aufspaltung Magnetfeldstärke
Messung der Amplituden
Magnetfeldneigung
I(λ) Q(λ)
U(λ) V(λ)
Wie entstehen Sonnenflecken?
Wie entstehen Sonnenflecken?
Am Boden der Konvektionszone werden durch den Dynamo starke toroidale Magnetfelder erzeugt. Diese werden instabil und treiben in Form von magnetischen Schläuchen durch Konvektionszone zur Photosphäre. Die beiden Durchstoßpunkte des Magnetfeldschlauches bilden dort eine bipolare Region.
Der solare Dynamo
Sonnenzyklus
Die Sonne im Röntgenlicht: Korona Magnetogramm im sichtbaren Licht: Photosphäre
Sonnenzyklus
EIT/SOHO, Fe XII, 2 Mil. K
Mai 1996 Dezember 2000
Differentielle Rotation der Sonne
Das Prinzip des solaren Dynamos: Ω-Effekt
Differentielle Rotation:
Scherströmung verstärkt das Magnetfeld durch Aufwicklung.
Das Prinzip des solaren Dynamos: α-Effekt
Die Konvektion advektiert die Magnetfelder und produziert eine radial Magnetfeldkomponente: α-Effekt (Parker 1955, Steenbeck, Krause, Rädler, 1966)
Sonnenfleck: Modell
Die Dynamik der penumbralen Feinstruktur
(NSST, La Palma)
70 Minuten aus dem Leben eines Fleckes
Sowohl das hell/dunkel Muster der Granulation als auch die Feinstruktur der Penumbra sind dynamische Phänomene.
Die Dynamik penumbraler magnetischer Flussröhren
Modellierung der dynamischen Feinstruktur
Übersicht
Aufbau der Sonne
Sonnenflecken in der Photosphäre
Magnetfelder und Strömungen in Sonnenflecken
Fraunhofersche Absorptionslinie
Doppler-Effekt
Zeeman-Effekt
Polarisiertes Licht
Sonnenzyklus und Sonnendynamo
Modellierung der penumbralen Feinstruktur