„Seit Jahrzehnten wissen die Menschen, dass der Sonnenzyklus vom Fluss oder vom Material abhängt und die Magnetfelder von einem Zyklus zum nächsten ändert. Wir haben herausgefunden, was wir in den 1990er Jahren für das Strömungsmuster hielten, aber die Ergebnisse haben keinen Sinn ergeben. “- Philip Scherrer
Mithilfe eines Instruments am Solar Dynamics Observatory der NASA, dem Helioseismic and Magnetic Imager (HMI), haben Wissenschaftler frühere Vorstellungen darüber, wie sich die Innenseiten der Sonne vom Äquator zum Pol und wieder zurück bewegen, auf den Kopf gestellt, um die Funktionsweise des Dynamos zu verstehen. Die Modellierung dieses Systems spielt auch eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Vorhersage der Intensität des nächsten Sonnenzyklus.
Beobachtungen mit dem Helioseismic and Magnetic Imager am Solar Dynamics Observatory der NASA zeigen ein zweistufiges Zirkulationssystem in der Sonne. Eine solche Zirkulation ist mit dem Umkehren der Nord- und Südmagnetpole der Sonne verbunden, das ungefähr alle 11 Jahre auftritt. Bildnachweis: Stanford
Mit SDO können Wissenschaftler Explosionen und Fontänen auf der Sonnenoberfläche beobachten. Schüsse von Sonnenmaterial springen in die Luft. Dunkle Flecken, die als Sonnenflecken bezeichnet werden, wachsen, verbinden und verschwinden, wenn sie über das Gesicht der Sonne wandern. Helle Schleifen geladener Teilchen - eingefangen von Magnetfeldern, die um die Sonne tanzen - schweben in der Atmosphäre. Diese dynamische Anzeige wird von einem komplexen, sich ständig ändernden Magnetstrom in der Sonne angetrieben, der als Dynamo bekannt ist. Dieses Magnetsystem kippt ungefähr alle 11 Jahre mit magnetischen Nord- und Südschaltpolen. Dieser Prozess ist ein wesentlicher Bestandteil des Fortschritts der Sonne zu einem Höhepunkt der Sonnenaktivität, dem so genannten Sonnenmaximum.
Die jüngsten Ergebnisse des Teams zeigen, dass anstelle eines einfachen Flusszyklus, der sich in Richtung der Pole in der Nähe der Sonnenoberfläche und dann zurück zum Äquator bewegt, das Material in der Sonne eine doppelte Zirkulationsschicht aufweist, wobei zwei solcher Zyklen übereinander liegen . Die Ergebnisse werden online in den Astrophysical Journal Letters am 27. August 2013 veröffentlicht.
"Seit Jahrzehnten wissen die Menschen, dass der Sonnenzyklus von der Strömung oder dem Material abhängt und die Magnetfelder von einem Zyklus zum nächsten ändert", sagte Philip Scherrer, Principal Investigator für HMI an der Stanford University in Stanford, Kalifornien Was wir in den neunziger Jahren für das Strömungsmuster gehalten haben, aber die Ergebnisse machten keinen Sinn. “
Seit Mitte der neunziger Jahre beobachten Forscher Bewegungen in der Sonne mithilfe einer Technik namens Helioseismologie. Die Technik macht sich die Tatsache zunutze, dass Wellen mit einer Dauer von ungefähr fünf Minuten über die Sonne schwingen. Solche Wellen ähneln den seismischen Wellen, die sich während eines Erdbebens unter der Erde ausbreiten. Durch die Überwachung der an der Sonnenoberfläche beobachteten Schwingungen können Wissenschaftler Informationen über das Material, durch das sich die Wellen bewegten, einschließlich dessen, woraus das Material besteht und wie schnell und in welche Richtung es sich bewegt, sammeln.
Solche Beobachtungen zeigten den Wissenschaftlern schnell, wie sich Material in der Sonne von Ost nach West dreht: Material bewegt sich an den Polen langsamer als am Äquator. Die Beobachtungen zeigten auch bald, dass sich Material von den Äquatoren zu den Polen innerhalb der oberen 20.000 Meilen der Sonnenoberfläche bewegte - aber der Rückfluss von den Polen zum Äquator wurde nicht festgestellt. Frühe Modelle all dieses sich bewegenden Materials gingen daher davon aus, dass die Strömung auf Äquatorebene viel geringer war und nur am Boden der Konvektionsschicht der Sonne auftrat, die diese Strömungen beherbergt, etwa 125.000 Meilen tiefer.
"Wissenschaftler haben diese Annahme verwendet, um den Solardynamo zu beschreiben", sagte Junwei Zhao, ein Helioseismologe an der Stanford University in Stanford, Kalifornien, der der erste Autor des Papiers ist. "Und jetzt haben wir festgestellt, dass es nicht richtig ist. Die Strömungsmuster, die wir gefunden haben, sind sehr unterschiedlich. “
Zhao und seine Kollegen beobachteten HMI-Daten aus zwei Jahren, die sich von einem der besten früheren Instrumente der Helioseismologie unterscheiden - dem Michelson-Doppler-Imager an Bord der gemeinsamen Mission der Europäischen Weltraumorganisation und der NASA, dem Solar and Heliospheric Observatory (SOHO). SOHO beobachtete die Sonne regelmäßig in niedriger Auflösung, jedoch nur einige Monate im Jahr in hoher Auflösung. HMI beobachtet die Sonne kontinuierlich mit 16-mal mehr Details als SOHO.
Anhand dieser Daten verglich Zhao die Ergebnisse der Helioseismologie, die in vier verschiedenen Höhen innerhalb der Sonnenoberfläche gemessen wurden, und stellte fest, dass diese Ergebnisse nicht mit den Erwartungen der normalen Konvention übereinstimmten. Das Team schlug einen Weg vor, um diese vier Messreihen miteinander in Einklang zu bringen.
Diese neue Methode brachte nicht nur die vier Datensätze in Einklang, sondern half auch dabei, den lang ersehnten äquatorwärts gerichteten Fluss in der Sonne zu finden. Das Team stellte fest, dass die Strömung in Richtung der Pole tatsächlich in einer Schicht nahe der Sonnenoberfläche stattfindet - aber die Strömung in Äquatorrichtung ist nicht unten. Stattdessen sickert das Material durch die Mitte der Konvektionsschicht zum Äquator zurück. Tief in der Schicht befindet sich außerdem ein zweiter Materialstrom, der sich in Richtung der Pole bewegt. Dies wird von den Wissenschaftlern als Doppelzellensystem bezeichnet, bei dem zwei längliche Strömungssysteme übereinander gestapelt sind.
"Dies hat wichtige Konsequenzen für die Modellierung des Solardynamos", sagte Zhao. "Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse zum inneren Sonnenstrom eine neue Gelegenheit bieten, die Erzeugung von Sonnenmagnetismus und Sonnenzyklen zu untersuchen."
Zhao und seine Kollegen haben Wissenschaftlern, die den Dynamo simulieren, ihre neue Karte des Sonneninneren zur Verfügung gestellt. Die nächsten Schritte werden sein, zu sehen, wie solche neuen Modelle mit den Beobachtungen auf der Sonne übereinstimmen und wie es unsere Fähigkeit verbessern kann, den ständigen Tanz des Magnetismus auf der Sonne zu verstehen.
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