Sonnenatmosphäre

Sonnenatmosphäre Übung

• Beschreibe, wie die Sonne aufgebaut ist.

  Tipps

  Was passiert im Zentrum der Sonne?

  Durch welche Schichten wird die Energie aus dem Zentrum nach außen geleitet?

  Welche Schichten strahlen die Energie ins All ab?

  Welcher Bestandteil der Sonne bedeutet übersetzt Kranz oder Krone?

  Lösung

  Der Kern der Sonne wird auch als Zentralgebiet bezeichnet. Dort fusionieren Wasserstoffkerne zu Heliumkernen. Dabei wird Energie freigesetzt.

  Diese Energie wird anschließend in der Strahlungs- und Konvektionszone nach außen transportiert. Diese Transportprozesse können sehr lange andauern, so dass das Licht an der Oberfläche der Sonne über 10 000 Jahre alt sein kann!

  Die Abstrahlung der Energie erfolgt hauptsächlich in der sich anschließenden Photosphäre. Sie ist eine vergleichsweise dünne Hülle. Darum liegt die Chromosphäre (Farbhülle), die deutlich leuchtschwacher ist und nur bei einer totalen Sonnenfinsternis als dünne rötliche Schale zu erkennen ist.

  Den Übergang zum Weltall stellt die Korona dar. Das Wort bedeutet Krone oder Kranz. Und genauso sieht die Korona aus, wenn man sie bei einer totalen Sonnenfinsternis beobachtet: ein diffuser Schein, der die Sonne weiträumig kreisförmig umgibt.

• Benenne die gezeigten Erscheinungen, die im Zusammenhang mit der Sonne auftreten.

  Tipps

  Drei der gezeigten Erscheinungen treten direkt im Bereich der Sonne auf.

  Die andere Erscheinung ist eine Folge der Sonnenaktivität, die auf der Erde zu beobachten ist.

  Lösung

  Die gezeigten Erscheinungen können alle unter geeigneten Bedingungen beobachtet werden. Sie spielen sich somit im äußeren Bereich der Sonne beziehungsweise in der Erdatmosphäre ab.

  In der Photosphäre der Sonne bilden sich die Sonnenflecken. Sie entstehen durch starke Magnetfelder. Das Zentrum eines Sonnenflecks ist kühler als seine Umgebung, daher sieht es schwarz aus.

  In der Chromosphäre der Sonne bilden sich die so genannten Protuberanzen. Dies sind riesige Gasausbrüche. Sie haben unglaubliche Dimensionen, so können sie beispielsweise über hunderttausend Kilometer lang sein.

  Im äußersten Bereich der Sonne befindet sich die Korona. Sie reicht weit bis ins All hinein und kann, wie die Chromosphäre, nur bei einer totalen Sonnenfinsternis gut beobachtet werden.

  Die Nordlichter entstehen in der Atmosphäre der Erde. Sie werden durch den Sonnenwind verursacht, der sich in der Korona der Sonne bildet. Dessen energiereiche geladene Teilchen können bestimmte Moleküle in der Atmosphäre zum Leuchten anregen.

• Bewerte die Aussagen zum Aufbau der Sonne.

  Tipps

  Nach welchen physikalischen Prinzipien bildet die Sonne eine Gaskugel. Welche Rolle spielt die Gravitation. Welche Folgen hat dies für Masse, Dichte, Temperatur?

  Wie verteilen sich Energieentstehung, - transport und - abstrahlung auf die einzelnen Bereiche der Sonne?

  Welcher äußere Bereich der Sonne strahlt den Hauptteil der Energie ab und verdeckt somit im Normalfall die anderen äußeren Bereiche?

  Lösung

  Die Sonne ist eine riesige Gaskugel mit einem Radius von rund 700 000 Kilometern. Kern und Strahlungszone (mit Konvektionszone) machen dabei rund 90 % des Radius aus, der Rest entfällt auf Photosphäre und Chromosphäre.

  Diese Kugelform der Sonne entsteht dadurch, dass sich ein großer Teil der Sonnenmasse im Kern und der Strahlungszone befindet. Am höchsten ist die Dichte dabei im Kern. Auch die Temperaturen von rund 16 Millionen Kelvin und der Druck sind hier am höchsten. Diese Bedingungen sind Grundlage für die Kernfusion, durch die die Sonne enorme Energiemengen erzeugt. Nach außen nehmen Dichte und Druck immer weiter ab. Die Temperatur nimmt hingegen nur nach außen hin zunächst ab, steigt jedoch in der Chromosphäre und in der Korona wieder an.

  Die im Kern erzeugte Energie wird auf unterschiedliche Weise durch die Strahlungszone mit der Konvektionszone (Aufstieg heißer Materie und Abstieg kalter Materie) transportiert und in der 300 Kilometer dicken Photosphäre abgestrahlt. Dieses Licht verdeckt in der Regel die weniger leuchtstarke Chromosphäre und die Korona. Diese sind daher nur bei einer totalen Sonnenfinsternis gut sichtbar.

• Leite ab, wie mit Hilfe der Sonnenflecken Aussagen über die Rotation der Sonne möglich sind.

  Tipps

  Betrachte zunächst die Bewegung eines Sonnenflecks in Bezug auf die Sonnenachse.

  Schlussfolgere daraus aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit der Sonne auf die Bewegung der gesamten Sonne.

  Lösung

  Die Sonnenflecken sind nicht nur eine Möglichkeit, die differentielle Rotation der Sonne zu beweisen. Sie sind auch eine Folge dieser Rotation. Durch die unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten im Äquatorbereich und an den Polen verzerrt sich das Magnetfeld der Sonne zunehmend. Diese Verzerrungen bewirken die Entstehung von Sonnenflecken. Dort nämlich, wo Feldlinien durch die Photosphäre hindurchtreten, kühlt die Oberfläche der Sonne im Vergleich zur Umgebung ab. Diese Stelle erscheint dann schwarz, also als Sonnenfleck. Häufigkeit und Lage der Sonnenflecken spiegeln damit auch den Aktivitätszyklus der Sonne wider.

• Gib an, wo Nordlichter in der Sonne ihren Ursprung haben.

  Tipps

  Für das Entstehen hochenergetischer Teilchen sind sehr hohe Temperaturen notwendig.

  Die Teilchen müssen einen Strom Richtung Erde bilden können.

  Lösung

  Nordlichter entstehen durch einen Teilchenstrom von der Sonne. Diese können nur aus den äußeren Bereichen der Sonne stammen, wo die Dichte nicht zu hoch ist und diese nicht wieder absorbiert werden.

  Nordlichter haben ihren Ursprung daher in der Korona der Sonne. Diese erreicht mit $10^6$ Kelvin vergleichsweise hohe Temperaturen im Gegensatz zu den anderen äußeren Bereichen der Sonne, der Photosphäre und der Chromosphäre. So bilden sich hochenergetische Teilchen wie Elektronen, Protonen und Helium, die das Gravitationsfeld der Sonne verlassen können und in einem Strom Richtung Erde gelangen. Dort treten sie in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der Erde und dringen besonders in den Polbereichen in die Erdatmosphäre ein. Dort regen sie Gasmoleküle zum Leuchten an. Ein Nordlicht entsteht.

• Leite ab, welche Farbe Nordlichter in unseren Breiten gewöhnlich haben.

  Tipps

  Welche drei typischen Farben können Nordlichter aufweisen?

  Welches Gas kommt für die Entstehung von Nordlichtern in unseren Breiten in Betracht?

  Wie verhält es sich mit der Dichte dieses Gases und der möglichen Eindringtiefe des Teilchenstromes?

  Lösung

  Nordlichter sind majestätisch anmutende Leuchterscheinungen, die man unter bestimmten Bedingungen am Himmel beobachten kann.

  Am häufigsten treten Nordlichter im Bereich um den Nordpol (oder analog dem Südpol) auf. Sie sind häufig grün (560 nm), aber auch rot (630 nm), selten blau (430 nm). In unseren Breiten kann man unter Umständen Nordlichter sehen. Diese sind in der Regel rot gefärbt, da aufgrund der geringeren Eindringtiefe nur Sauerstoffatome in den oberen Luftschichten angeregt werden. Dort ist die Dichte der Sauerstoffteilchen relativ gering und somit ein Zusammenstoß im angeregten Zustand unwahrscheinlich. Es wird vorwiegend rotes Licht emittiert.

  Nordlichter entstehen durch einen Teilchenstrom von der Sonne. Diese können nur aus den äußeren Bereichen der Sonne stammen, wo die Dichte nicht zu hoch ist und diese nicht wieder absorbiert werden.

  Nordlichter haben ihren Ursprung in der Korona der Sonne. Diese erreicht mit $10^6$ Kelvin vergleichsweise hohe Temperaturen im Gegensatz zu den anderen äußeren Bereichen der Sonne, der Photosphäre und der Chromosphäre. So bilden sich hochenergetische Teilchen wie Elektronen, Protonen und Helium, die das Gravitationsfeld der Sonne verlassen können und in einem Strom Richtung Erde gelangen.