08.05.2018

Riesige Wirbel auf der Sonne

Die Rossby-Wellen breiten sich entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Sterns aus.

Ein Team unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystem­forschung und der Georg-August-Univer­sität Göttingen hat gigan­tische Wirbel auf der Sonne entdeckt. Diese Rossby-Wellen breiten sich entgegen­gesetzt zur Rotations­richtung des Sterns aus, haben Lebens­dauern von mehreren Monaten und maximale Amplituden am Äquator. Vierzig Jahre lang hatten Wissen­schaftler über die Existenz solcher Wellen auf der Sonne spekuliert, die in jedem rotie­renden, fluiden System vorhanden sein sollten. Jetzt wurden sie erstmals eindeutig identi­fiziert und charak­terisiert. Die solaren Rossby-Wellen sind nahe Verwandte der Rossby-Wellen, die auf der Erde in der Atmo­sphäre und den Ozeanen auftreten.

Abb.: Wirbel auf der Sonne: Die Rossby-Wellen bewegen sich entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Tagesgestirns. Ihre Amplitude ist in Äquatornähe am größten. (Bild: MPS / NASA / HormesDesign)

In fast jeder Wetter­karte der nörd­lichen Erdhemi­sphäre finden sich atmo­sphärische Rossby-Wellen als heraus­stechendes Merkmal. Sie erscheinen als Mäander im Jetstream, der kalte Polarluft im Norden von wärmerer sub­tropischer Luft weiter südlich trennt. Manchmal erreichen diese Wellen die äqua­torialen Regionen und können sogar das Wetter in Australien beein­flussen. Im Prinzip entstehen diese planetaren Wellen auf jeder rotierenden Kugel aufgrund der Coriolis-Kraft. Das Saturn-Sechseck, ein stabiles Wolken­muster am Nordpol des Ring­planeten, ist möglicher­weise ebenfalls Ausdruck dieses Wellen­phänomens.

Dass solche Wellen auch auf Sternen auftreten, wurde bereits vor etwa vierzig Jahren vorher­gesagt. „Solare Rossby-Wellen haben sehr kleine Amplituden und Perioden von mehreren Monaten, sodass sie extrem schwer zu erkennen sind“, sagt Max-Planck-Direktor Laurent Gizon. Die Studie erforderte deshalb mehr­jährige hoch­präzise Beobach­tungen. Die Wissen­schaftler analy­sierten einen Datensatz der Nasa-Sonde Solar Dynamics Obser­vatory, der sechs Jahre über­spannt. „Die Aufnahmen haben eine ausreichend hohe räumliche Auflösung, um die Bewegung der Granulen auf der sicht­baren Oberfläche der Sonne verfolgen zu können“, sagt Max-Planck-Forscher Björn Löptien. Bei den Granulen handelt es sich um vergleichs­weise kleine Konvektions­zellen, deren Durch­messer auf der Sonnen­oberfläche etwa 1500 Kilometer betragen.

Die Forscher verwen­deten die Granulen als Indi­katoren: Ihre Bewegung zeigt die zugrunde liegenden, viel größeren Wirbel­strömungen auf, die mit den Rossby-Wellen verbunden sind. Zusätzlich verwen­deten sie Methoden der Helio­seismologie, um die Entdeckung zu bestätigen und die Rossby-Wellen im Sonnen­innern in Tiefen bis zu 20.000 Kilometern zu unter­suchen. „Insgesamt finden wir auf der Sonne große wirbel­förmige Wellen, die sich entgegen der Rotation bewegen. Dass sich diese Wellen nur in den äquatorialen Regionen zeigen, ist völlig uner­wartet“, sagt Gizon. Die Forscher konnten erstmals den Zusammen­hang zwischen Frequenz und Wellenlänge bestimmen und die Wirbel auf diese Weise eindeutig als Rossby-Wellen identi­fizieren. „Solare Rossby-Wellen sind gigantisch, ihre Wellen­längen vergleich­bar mit dem Sonnen­radius”, so Gizon. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil der inneren Dynamik der Sonne, da sie zur Hälfte der kine­tischen Energie der Sonne beitragen.

MPG / JOL

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