Sonnenflecken:Theorie und

Beobachtung

Rolf Schlichenmaier

Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik; Schöneckstr. 6; 79104 Freiburg

Tel.: 3198-212

Email: schliche@kis.uni-freiburg.de

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