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Winzige Sonnenwirbel könnten die Korona aufheizen
Die äußere Sonnenatmosphäre ist mehr als eine Million Grad heiß, obwohl die sichtbare Oberfläche nur rund 5.500 Grad Celsius erreicht. Eine neue Modellrechnung zeigt, dass winzige Wirbel im Sonnenplasma genügend Bewegungsenergie bereitstellen könnten, um die Korona mitzuheizen. Ob diese Energie tatsächlich bis in die äußeren Schichten gelangt, ist allerdings noch ungeklärt.
Daytona Beach (U.S.A.). Die Sonnenkorona ist erheblich heißer als die darunterliegende sichtbare Sonnenoberfläche, denn während in der Photosphäre rund 5.800 Kelvin herrschen, erreicht die dünne äußere Atmosphäre mehr als eine Million Kelvin. Wie die dafür nötige Energie in großer Höhe freigesetzt wird, ist seit Jahrzehnten Gegenstand der Forschung.
Als mögliche Wärmequellen gelten unter anderem die Auflösung magnetischer Spannungen und die Dämpfung von Plasmawellen. Bewegungen an der Sonnenoberfläche könnten Energie im Magnetfeld speichern, die erst weiter oben wieder frei wird, weshalb nicht nur das Energieangebot, sondern auch dessen Transport durch die dazwischenliegende Chromosphäre entscheidend ist.
Die Physikerin Dr. Katariina Nykyri von der Embry-Riddle Aeronautical University (ERAU) hat nun das Energiepotenzial kleinräumiger Sonnenwirbel abgeschätzt und dafür Aufnahmen des Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) auf Hawaii sowie die zugehörigen Computersimulationen einer früheren Untersuchung herangezogen. Die aktuelle Arbeit nutzt diese vorhandenen Daten für Modellrechnungen und liefert keine neuen Beobachtungen der Korona.
Die hochaufgelösten Bilder zeigen an den Rändern magnetisierter Plasmabereiche sogenannte Kelvin-Helmholtz-Wirbel. Sie entstehen, wenn benachbarte Strömungen unterschiedlich schnell fließen und dadurch ihre gemeinsame Grenzfläche instabil wird. Bei 47 untersuchten Strukturen lagen die Abstände zwischen benachbarten Wirbeln bei 25 bis 170 Kilometern und besonders häufig bei rund 65 Kilometern.
Für ihre Energiebilanz setzte Nykyri einen Geschwindigkeitsunterschied von drei Kilometern pro Sekunde, eine Wirbelhöhe von 500 Kilometern und eine typische Plasmadichte an, wobei der charakteristische Wirbelabstand von 65 Kilometern näherungsweise als Durchmesser diente. Daraus ergeben sich rund 2,2 × 10¹⁷ Joule Bewegungsenergie je Wirbel, allerdings als modellabhängige Abschätzung und nicht als direkte Messung.
Die rotierenden Strömungen könnten Magnetfeldlinien verdrehen und so Bewegungsenergie in gespeicherte magnetische Energie umwandeln, wobei immer schmalere Stromschichten entstehen, in denen sich Magnetfeldlinien bei der sogenannten Rekonnexion neu verbinden. Ein Teil der gespeicherten Energie wird dann in Wärme, Teilchenbewegung und möglicherweise Plasmawellen freigesetzt.
„Wenn wir diese Gesetzmäßigkeiten auf die Eigenschaften der vom Inouye-Teleskop beobachteten Kelvin-Helmholtz-Wirbel anwenden, können wir die Erwärmung der Korona abschätzen“, erklärt Dr. Katariina Nykyri.
Wie stark dieser Mechanismus zur Koronaheizung beitragen könnte, hängt vor allem davon ab, wie viel Bewegungsenergie in magnetische Spannungen übergeht und wie viel davon die Chromosphäre übersteht. Für einen Modellfall nahm Nykyri an, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt drei Prozent der untersuchten Fläche wirbelaktiv sind und sich die Wirbelenergie alle 150 Sekunden erneuert.
Unter diesen Annahmen müssten in ruhigen Sonnenregionen fünf bis acht Prozent des verfügbaren Strömungsenergie-Vorrats in magnetische Energie umgewandelt und nach oben transportiert werden. Für sogenannte koronale Löcher, dunklere Bereiche der Sonnenkorona, berechnet das Modell einen Bedarf von 14 bis 21 Prozent. In besonders aktiven Sonnenregionen reicht die zugrunde gelegte Energiequelle hingegen nicht aus, um den angenommenen Wärmeverlust auszugleichen.