Sonnenflecken: Theorie und Beobachtung

1. Sonnenflecken:Theorie und Beobachtung Rolf Schlichenmaier Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik; Schöneckstr. 6; 79104 Freiburg Tel.: 3198-212 Email: schliche@kis.uni-freiburg.de

2. 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

3. Querschnitt der Sonne

4. Sonnenflecken auf der Sonnenscheibe März bis Mai 2001: MDI on SOHO (NASA)

5. Sonnenflecken am Sonnenrand

6. 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

7. 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.

8. 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.

9. Die Photosphäre Photosphäre = Sonnenoberfläche Mehr als 99% des Lichtes von der Sonne stammt aus der Photosphäre

10. Das Strahlungsspektrum der Sonne Strahlungsdichte als Funktion der Wellenlänge: Plancksches Strahlungsgesetz. Die Photosphäre strahlt wie ein schwarzer Strahler mit ca. 5800 K.

12. Sonnenspektrum

14. Keine kreisförmigen Geschwindigkeitsfelder wie von Hale vermutet. Tornado als Erklärung für Flecken wird verworfen.

15. Strömungen in der Penumbra: Der Evershed-Effekt Fleck bei θ= 23 Grad

16. 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.

17. Die Aufspaltung durch den Zeeman-Effekt

18. Polarisiertes Licht: Die Stokes Parameter

19. 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.

20. I(λ) Q(λ) Messung der Aufspaltung Magnetfeldstärke U(λ) V(λ) Polarisiertes Licht: Spektropolarimetrische Messung Messung der Amplituden Magnetfeldneigung

21. Wie entstehen Sonnenflecken?

22. 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.

24. Der solare Dynamo

25. Sonnenzyklus

26. Magnetogramm im sichtbaren Licht: Photosphäre Die Sonne im Röntgenlicht: Korona EIT/SOHO, Fe XII, 2 Mil. K Mai 1996 Dezember 2000 Sonnenzyklus

27. Differentielle Rotation der Sonne

28. Das Prinzip des solaren Dynamos: Ω-Effekt Differentielle Rotation: Scherströmung verstärkt das Magnetfeld durch Aufwicklung.

29. 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)

30. Sonnenfleck: Modell

32. Die Dynamik der penumbralen Feinstruktur (NSST, La Palma)

33. 70 Minuten aus dem Leben eines Fleckes Sowohl das hell/dunkel Muster der Granulation als auch die Feinstruktur der Penumbra sind dynamische Phänomene.

34. Die Dynamik penumbraler magnetischer Flussröhren

35. Modellierung der dynamischen Feinstruktur

36. 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