Die Sonnenaktivität umfasst veränderliche Eigenschaften der Sonne, die mit Turbulenzen ihres extrem heißen Gases und laufenden Änderungen des Magnetfeldes zusammenhängen. Diese Veränderungen können zyklischer oder unregelmäßiger Natur sein.
Der Sonnenfleckenzyklus (Schwabe-Zyklus)
Der auffälligste Zyklus ist der etwa 11-jährige Schwabe-Zyklus, benannt nach Samuel Heinrich Schwabe. Die Periode dieses Zyklus liegt im Durchschnitt bei 11,1 Jahren, kann aber im Laufe eines Jahrhunderts zwischen 9 und 14 Jahren schwanken. Seit dem Jahreswechsel 2019/2020 befindet sich die Sonne im 25. Sonnenfleckenzyklus.
Die mittlere monatliche Zahl der Sonnenflecken schwankt erheblich: von 0 bis 20 im Sonnenfleckenminimum zum Wechsel der Sonnenfleckenzyklen bis hin zu 80 bis 300 im Maximum zur Mitte der Sonnenfleckenzyklen. Mitte 2016 wurden Tageswerte von Null bis etwa 60 und Monatsmittel unter 40 beobachtet.
Obwohl Sonnenflecken eine um 1000-1600 °C niedrigere Temperatur als die übrige Sonnenoberfläche (5500 °C) aufweisen, strahlt die Sonne während des Aktivitätsmaximums mit einer geringfügig höheren Leistung als im Sonnenfleckenminimum. Dies liegt vor allem an den Sonnenfackeln, heißeren Gebieten mit etwa 7000 °C.
Langfristige Sonnenzyklen und ihre Rekonstruktion
Direkte Indizes zur Messung der Sonnenaktivität, wie die Sonnenflecken-Relativzahl oder die Radiointensität, reichen nur bis zum Beginn des 17. Jahrhunderts zurück. Um die Sonnenaktivität über längere Zeiträume zu rekonstruieren, werden indirekte Indizes genutzt, die auf Effekten beruhen, die ihrerseits durch die Sonnenaktivität hervorgerufen werden.
Eine Methode zur Rekonstruktion der solaren Aktivität über Jahrtausende nutzt die Konzentrationen von kosmogenen Radionukliden (wie 14C und 10Be) in natürlichen Klimaarchiven wie Baumringen und Eisbohrkernen. Energiereiche kosmische Strahlung aus dem Weltall wird in der Heliosphäre durch den Sonnenwind und das solare Magnetfeld abgeschwächt und abgelenkt. Bei geringerer Sonnenaktivität kann mehr kosmische Strahlung das Erdmagnetfeld durchdringen und in die Erdatmosphäre gelangen, wo sie zur Entstehung dieser Nuklide führt. Aus den gemessenen Nuklid-Konzentrationen lässt sich auf die solare Aktivität zurückschließen, wobei Transportprozesse und klimatische Einflüsse berücksichtigt werden müssen. Die Genauigkeit dieser Rekonstruktionen liegt in der Größenordnung eines Jahrzehnts.
Wissenschaftler der Universität Lund haben in Kooperation mit GEOMAR-Klimaforschern die Sonnenaktivität bis zur letzten Eiszeit rekonstruiert, indem sie Eisbohrkerne aus Grönland analysierten. Die Ergebnisse zeigen, dass der elfjährige Sonnenfleckenzyklus auch damals existierte und ein typisches Muster der Sonnenaktivität darstellt. Die Studie konnte belegen, dass Jahre mit geringer Sonnenaktivität mit strengen Wintern auf der Nordhalbkugel zusammenhängen.
Weitere Zyklen und Phänomene:
- Gleißberg-Zyklus (85 ± 15 Jahre): Entdeckt von Wolfgang Gleißberg, möglicherweise verbunden mit dem jahrelang fleckenlosen Minimum um das Jahr 2008.
- 1470-Jahreszyklus: Möglicherweise verbunden mit den Bond- und Dansgaard-Oeschger-Ereignissen.
- Hallstatt- oder Bray-Zyklus (2400 ± 200 Jahre).
Einfluss der Sonnenaktivität auf die Erde
Die Sonnenaktivität ist verantwortlich für Ereignisse des Weltraumwetters und wirkt sich direkt auf Satelliten und technische Einrichtungen auf der Erde aus. Starke Magnetfelder bei großen Sonnenflecken können Wolken heißen Gases aus den Außenschichten der Sonne ins All schleudern. Flares sind plötzliche Strahlungsausbrüche in den äußeren Schichten der Sonne, die einige Minuten bis Stunden dauern und verstärkte Gammastrahlung, UV- und Radiostrahlung mit sich bringen.
Ein geomagnetischer Sturm, der durch solche Ereignisse ausgelöst wird, kann Satelliten, elektrische Anlagen oder Funkverbindungen stören. Der bislang größte gemessene geomagnetische Sturm der Geschichte legte am 1./2. September 1859 die Telegrafenleitungen lahm.
Katastrophe? Das droht beim Sonnensturm! | Harald Lesch | Terra X Lesch & Co
Die Strahlungsenergie der Sonne, die aus Kernfusion im Kern der Sonne stammt, gelangt durch Teilchen (Neutrinos), Strahlungstransport und Konvektion nach außen. Durch Wechselwirkungen entsteht ein breites Strahlungsspektrum. Bei geringerer Sonnenaktivität kann mehr und energiereichere kosmische Strahlung das Erdmagnetfeld durchdringen und in die Erdatmosphäre gelangen, was zu Wechselwirkungen führt.
Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und Klima
Wissenschaftler vermuten seit langem, dass der 11-Jahres-Rhythmus der Sonne Einfluss auf das Klima bestimmter Regionen der Welt haben könnte. Eine Studie rekonstruierte das Verhältnis zwischen Sonnenaktivität und Klima während der letzten Eiszeit und bestätigte, dass ungewöhnlich kalte Winter in Mitteleuropa während Phasen geringer Sonnenaktivität vorkamen.
Wenn die Anzahl an Sonnenflecken gering ist, gibt die Sonne weniger Strahlung im Ultraviolett-Bereich ab. Weniger UV-Strahlung bedeutet eine geringere Aufwärmung der Erdatmosphäre und führt zu Veränderungen in den Zirkulationsmustern der unteren atmosphärischen Schichten. Diese Veränderungen beeinflussen die Nordatlantische Oszillation (NAO), ein Luftdruck-Phänomen über dem Nord-Atlantik, das das Wettergeschehen in Europa stark bestimmt. So kann eine Veränderung dieser atmosphärischen Strömungen gleichzeitig zu einer Abkühlung in Mitteleuropa und einer Erwärmung in anderen Teilen des Kontinents führen.
Die Temperaturen in den Jahren 2010 und 2011 waren derart gering, dass in manchen Ländern neue Kälterekorde für den Monat November aufgestellt wurden. Diese Ereignisse können durch die geringe Aktivität der Sonnenflecken erklärt werden, die mit Veränderungen der NAO zusammenhängen.
Obwohl es Hinweise auf kurzzeitige, regionale Abkühlungen gibt, betonen die Autoren der Studien, dass die Durchschnittstemperaturen in den Wintern der letzten drei Jahrzehnte kontinuierlich angestiegen sind. Dass der Rhein im Winter 1962/1963 das letzte Mal zufror, sei zumindest teilweise dem Klimawandel geschuldet.
Planeten als Einflussfaktoren auf die Sonne
Es gibt Hinweise darauf, dass auch die Planeten mehr Einfluss auf die Sonne haben könnten, als bisher angenommen. Ihre Konstellation scheint für die langfristigen Zyklen erhöhter Sonnenaktivität verantwortlich zu sein. Forscher haben die Zyklen der Sonnenmagnetfelder - rekonstruiert aus Eisbohrkernen - mit der Wirkung der Planeten verglichen, und die Übereinstimmung ist verblüffend.
Das relativ geringe Drehmoment, welches die Planeten auf die Sonne ausüben, scheint die Ursache für die langfristigen Zyklen der Sonnenaktivität zu sein. Die beobachteten und bekannten Perioden von 88, 104, 150, 208 und 506 Jahren stimmen während der letzten 10.000 Jahre genau mit den periodischen Änderungen des Drehmoments überein, das die Planeten auf die Tachokline ausüben. Diese Schicht, die den Übergang von der radiativen zur konvektiven Zone in der Sonne darstellt, spielt eine fundamentale Rolle beim Entstehen des solaren Magnetfeldes. Kleine Veränderungen in der Tachokline könnten daher Auswirkungen auf das Auftreten solarer Eruptionen haben.
Milanković-Zyklen und ihr Einfluss auf das Klima
Die Milanković-Zyklen beschreiben quasi-periodische Variationen der Erdbahnparameter, die eine Änderung der Sonneneinstrahlung bewirken und als Modell zur Erklärung des Auftretens von Kalt- und Warmzeiten dienen. Diese Zyklen umfassen:
- Präzession der Erdachse: Eine Kreisbewegung der Erdachse mit einer Periode von etwa 26.000 Jahren.
- Schiefe der Erdachse (Obliquität): Die Neigung der Erdachse gegen die Normale zur Erdbahnebene ändert sich periodisch zwischen 22,1° und 24,5° mit einer Periode von ungefähr 41.000 Jahren.
- Exzentrizität der Erdbahn: Die Form der Umlaufbahn der Erde variiert von nahezu kreisförmig bis leicht elliptisch mit einer Hauptkomponente in einer Periode von 405.000 Jahren.
Diese Zyklen erklären teilweise die natürlichen Klimaveränderungen, insbesondere während des Quartärs. Sie beeinflussen die Intensität und Verteilung der Sonneneinstrahlung auf der Erde und somit die Jahreszeiten und die Entstehung von Eiszeiten.
Obwohl die Milanković-Zyklen eine wichtige Rolle spielen, beeinflussen auch nichtastronomische Faktoren wie Veränderungen der Erdatmosphäre (Aerosole, Treibhausgase) und Meeres- und Luftströmungen das globale Klima komplex. Diese Wechselwirkungen können dazu führen, dass ein Milanković-Signal in den Datensätzen manchmal nur undeutlich oder gar nicht vorhanden ist.
Sonnenaktivität im historischen Kontext
Erste Beobachtungen von Sonnenflecken sind bereits aus dem 4. Jh. v. u. Z. überliefert. Seit Erfindung des Teleskops im frühen 17. Jahrhundert wurde die Zählung der Sonnenflecken möglich. Astronomen stellten eine regelmäßige Zunahme und Abnahme der Sonnenfleckenzahl in einem circa elfjährigen Zyklus fest. Diese Zyklen werden nummeriert, beginnend mit dem Minimum der Sonnenfleckenzahl im Jahr 1755 als Sonnenzyklus 1. Aktuell befindet sich die Sonne im Zyklus 25.
Die Stärke der einzelnen Sonnenzyklen unterliegt starken Schwankungen. Das Maunder-Minimum (spätes 17. Jahrhundert) war ein Zeitraum, in dem kaum Sonnenflecken beobachtet wurden und der mit der gleichzeitig stattfindenden „kleinen Eiszeit“ in Verbindung gebracht wird.
Im 20. Jahrhundert befand sich die Sonne in einer ungewöhnlich aktiven Phase, einem Grand Maximum, das seinen Höhepunkt 1957/1958 hatte. Die Sonnenfleckenzahl war im Zeitraum 1950-2000 im Mittel mehr als doppelt so hoch wie im Zeitraum 1750-1900. Rekonstruktionen anhand kosmogener Isotope legen nahe, dass Phasen solch hoher Aktivität selten auftreten.
Das Maximum des Sonnenzyklus 24 (2013/2014) war vergleichsweise schwach ausgeprägt. Der aktuelle Sonnenzyklus 25 zeigt einen deutlichen Anstieg der Sonnenfleckenzahl und hatte mit dem „Muttertags-Sturm“ im Mai 2024 bereits ein bedeutendes Großereignis. Nach Angaben der NASA erreichte der Sonnenzyklus 25 sein Maximum im Oktober 2024.