30 Tage kostenlos testen:
Mehr Spaß am Lernen.

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

Sonnenatmosphäre 09:51 min

Textversion des Videos

Transkript Sonnenatmosphäre

Hallo und herzlich willkommen bei einem neuen Video von Dr. Tews. Heute wird es heiß. Warum? Unser heutiges Thema ist die Sonne, ihr Aufbau und verschiedene ihrer Aktivitäten. Wir werfen dazu einen Blick in das Innere der Sonne und auf Wechselwirkungen zwischen der Sonne und ihrer Aktivitäten und Erscheinungen auf unserer Erde. Machen wir uns also startklar zu einem Ausflug in sehr warme Gefilde. Hast du schon einmal diese Erscheinungen am Himmel gesehen? Ich meine nicht im Fernsehen, sondern in Natur, die sogenannten Nordlichter oder Polarlichter? Das sind also wahnsinnige Erscheinungen, Leuchterscheinungen, am Himmel, die über grün, blau bis hin ins rote Licht zu sehen sind und diese üben eine unheimliche Faszination auf die Betrachter aus. Der norwegische Physiker Birkeland, der 1867 bis 1917 lebte, hat im Laufe seines Lebens sich viel mit den Nordlichtern beschäftigt und hat eine Erklärung der Entstehung dieser Nordlichter versucht und hat herausgefunden, dass sie mit den Erscheinungen auf der Sonne zusammenhängen, die wiederum mit der Erde in Wechselwirkung treten. Aber der Reihe nach, damit wollen wir uns im Folgenden ein wenig beschäftigen. Wir schauen mal auf einen schematischen Schnitt durch die Sonne. Übrigens, du kannst die Sonne relativ direkt ohne Gefahr anschauen, wenn du sie mit einem Fernrohr betrachtest und das entstehende Bild auf ein weißes Blatt Papier projizierst. Du wirst nun die Sonne nur von außen sehen, in das Innere können wir leider nicht hineinschauen, wir sind da auf theoretische Überlegungen angewiesen. Die Sonne hat einen Radius von circa 700000 Kilometern, tief im Inneren, dem Zentralgebiet oder auch Kern genannt, herrscht eine Temperatur von etwa 16000000 Kelvin. Dort existiert ein sehr großer Druck und eine riesige Dichte. Dem Kern folgt die Strahlungszone, ich habe das hier mal alles insgesamt notiert, und diese Strahlungszone reicht bis etwa 90 Prozent des Radius und zusammen mit dem Kern enthalten sie fast die gesamte Sonnenmasse. In einem kleinen Bereich dieser Zone, der Konvektionszone, findet ein Wärmetransport statt. Heiße Materie steigt zur Oberfläche, kalte sinkt herab. Und wir kennen das vom Wasserkochtopf, dort passiert ja letzten Endes dasselbe. Und dann wird es interessant, jetzt kommt etwas, was wir auch sehen können. Die große Masse der Sonne und die damit verbundene Gravitation ist die Ursache dafür, dass von der Erde aus gesehen die Gaskugel eine sichtbare scharfe Grenze hat. Dieser Bereich heißt Photosphäre und umfasst circa 300 Kilometer. Von der Photosphäre wird die Sonnenenergie nach außen abgestrahlt. Die Photosphäre selbst besitzt eine körnige Struktur, wir nennen sie Granulation. In der Mitte dieser entsprechenden Zellen steigt heißes Gas auf, dies kühlt sich dann wieder ab und sinkt an den Rändern nieder. Dies führt zu einer Materiedurchmischung, die tief in den Bereich der Oberfläche der Sonne sich erstreckt. Es schließt sich die Chromosphäre an, die weniger Licht aussendet und bei einer totalen Sonnenfinsternis zu sehen ist. Und in diesem eben erwähnten Bereich sieht man auch die Sonnenaktivitäten, das sind wolkenartig aussehende Gasausbrüche und diese wiederum bezeichnen wir als Protuberanzen. Du kannst sie in diesem Bild recht deutlich sehen. Dann kommen wir zur Korona, die hat keine scharfe Grenze und geht kontinuierlich in den Weltraum über und sie ist eigentlich nur bei einer totalen Sonnenfinsternis zu sehen, wie diese Bild hier zeigt. Ja, gewiss ist das ein Steckbrief unserer Sonne und wir können diese Bezeichnungen uns anschauen und uns ein wenig einprägen, aber es geht noch etwas weiter. Eine sichtbare Erscheinung, die sich auf der Oberfläche der Sonne abspielt, sind sogenannte Sonnenflecken. Das sind dunkle kleine, klein von uns aus gesehen, kleine Strukturen, die an der Oberfläche der Sonne zu beobachten sind, und sie haben einen dunklen Kern und in diesem dunklen Kern ist es etwas kühler als in der sonstigen Umgebung, nämlich so rund 2000 bis 3000 Kelvin weniger. Die Größe kann bis zu 200000 Kilometer betragen und die Lebensdauer dieser Sonnenflecke beträgt Tage oder Monate. In den Sonnenflecken sind starke Magnetfelder vorhanden. Übrigens man kann aus der Beobachtung der Sonnenflecken auf die Rotationsgeschwindigkeit der Gaskugel schließen. Aber das ist ein extra Thema, das würde hier viel zu weit führen, wenn wir das hier im Einzelnen behandeln würden. Ein anderer Effekt ist der Sonnenwind. Wir haben ja schon über die Korona gesprochen, das ist jene äußere Schicht, die weit in das All hinaus reicht und sich dort im Dunklen verliert. Auch in der Korona herrschen sehr, sehr hohe Temperaturen von bis zu zehn hoch sechs Kelvin. Und wegen dieser sehr hohen Temperaturen haben die Teilchen, die dort sich aufhalten, große Energien und eine große Geschwindigkeit. Die Teilchen, das sind also Elektronen, Protonen oder auch Heliumteilchen, die habe eine so große Energie, dass sie das Gravitationsfeld der Sonne verlassen können. Und diese Teilchen bilden den Sonnenwind und dieser Teilchenstrom, du kannst diesen hier auf diesem Bild sehen, der tritt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld wiederum der Erde. Und auf dem Bild sieht man, dass sich das Magnetfeld der Erde leicht verformt, und dieser Sonnenwind ist also Ausgangspunkt oder hängt mit der Entstehung von Nordlichtern zusammen. Damit schließt sich unser Kreis und wir erinnern an den Anfang unseres Videos. Diese hochenergetischen Teilchen, die im Sonnenwind enthalten sind, treten in Wechselwirkung mit der Atmosphäre der Erde und regen die Gasmoleküle in der Atmosphäre zum Leuchten an und lassen aufgrund bestimmter energetischer Verhältnisse Lichterscheinungen, die von grün über blau, gelb bis hin ins rote reichen, die wir dann sehen können. Übrigens Nordlichter, man könnte auch sagen, es gibt auch Südlichter, natürlich ist der Effekt auch auf der anderen Hälfte der Erdkugel zu sehen, aber in der Regel sind bei uns die Nordlichter oder Polarlichter im Gespräch. Ja, das war’s für heute. Wir haben ein wenig in der Sonnenatmosphäre uns aufgehalten. Und es gibt noch viel, viel mehr von der Sonne zu erzählen. Ich würde mich freuen, wenn du bald wieder ein Video von Dr. Tews über die Sonne dir angucken kannst. Tschüss.

Sonnenatmosphäre Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Sonnenatmosphäre kannst du es wiederholen und üben.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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.