Wie die Sonne Plasma spritzt

Entdeckt wurden sie bereits 1877 anlässlich einer totalen Sonnen­finsternis: Zahlreiche helle Spitzen ragen aus der Photo­sphäre der Sonne durch die Chromo­sphäre hindurch bis in die Korona hinein. Diese „Spikulen“ – spiculum ist das lateinische Wort für „Spitze“ oder „Spieß“ – haben Durch­messer von einigen hundert bis zu tausend Kilometern, können 10.000 Kilometer lang sein und schießen mit etwa 50 bis 150 Kilometern pro Sekunde nach oben. Lange Zeit sahen die Sonnen­forscher in den aufschießenden Strahlen eine Art Spritzer oder Gischt der darunter wogenden Sonnenoberfläche.

Spektroskopische Untersuchungen zeigten jedoch, dass die Temperatur des Plasmas in den Spikulen mehrere Millionen Kelvin beträgt, während die Temperatur an der Sonnen­oberfläche lediglich bei etwa 5800 Kelvin liegt. Damit mussten komplexere Prozesse unter Beteiligung der solaren Magnetfelder für die Entstehung der Spikulen verantwortlich sein – die Details blieben jedoch bislang unklar. Juan Martínez-Sykora vom Bay Area Environmental Research Institute in Kalifornien sowie der Universität Oslo und seinen Kollegen gelang es jetzt erstmals, die Entstehung der Spikulen mithilfe von Computer­modellen nachzuvollziehen. Die gebündelten Plasma­ströme entstehen demnach durch eine komplexe Wechselwirkung der lokalen Magnetfelder mit der ionisierten Materie nahe der Sonnen­oberfläche.

Den Forschern gelang es, mehrdimensionale magneto­hydro­dynamische Computer­modelle der Photosphäre zu erstellen, in denen sich spontan Spikulen bilden, deren physikalische Eigenschaften mit denen der beobachteten solaren Plasmajets übereinstimmen. Ein tiefer Blick in die Simulationen zeigt, dass die Spikulen über einen komplexen, mehr­stufigen Prozess entstehen: Zunächst stört aufsteigendes heißes Plasma die lokale Struktur des Magnetfelds. Das kann unter geeigneten Umständen zur Bildung von Regionen mit einer erhöhten magnetischen Spannung führen. Diese steigen dann durch Diffusions­prozesse, bei denen die Wechselwirkung zwischen Ionen und neutralen Atomen eine entscheidende Rolle spielt, aus der Photo­sphäre in die darüber liegende Chromo­sphäre auf. Dort entlädt sich schließlich abrupt die magnetische Spannung und lässt den Plasma­strahl gebündelt und stark aufgeheizt nach oben schießen.

Die Simulationen zeigen außerdem, wie sich das Plasma der Spikulen ausbreitet und so zur Aufheizung der Sonnen­korona beiträgt. Außerdem erzeugen die Spikulen Alfvén­wellen, Schwingungen, die sich im ionisierten Gas der Korona ausbreiten, ebenfalls zu deren Aufheizung beitragen und zudem den Sonnen­wind antreiben. Hier sehen die Forscher allerdings noch Verbesserungs­bedarf für ihr Modell: Es könne bislang die Abgabe der Energie von den Wellen an das Gas nicht genau berück­sichtigen. Dazu sei eine noch höhere räumliche Auflösung bei den Simulationen nötig.

Rainer Kayser

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