Klecker: Das Reich der Sonne

DASTERRESTRIAL
REICH DER RELATIONS
SONNE
SOLAR
UNSERE KOSMISCHE HEIMAT
Berndt Klecker
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Deutschland
Wochenendseminar
„Heimatplanet Erde - eine Reise durch das Sonnensystem“
Wildbad Kreuth
01. Bis 03. Februar 2008
ÜBERSICHT
• Einleitung
Unsere kosmische Nachbarschaft
• Die Aktivität der Sonne
• Auswirkungen auf die Umgebung der Erde
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
• STEREO: Die Sonne in 3D
Sonne - Erde - Wechselwirkungen
WELTRAUMWETTER
Variabilität der Sonne
• Solarer Wind
• Flares
• CMEs
• Sonnenflecken-Zyklus
• Lang - periodische
Variationen
Auswirkungen auf:
• Atmosphäre
• Ionosphäre
• Magnetosphäre
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE RAUMFLOTTE
SONNE + INTERPLANETARER RAUM
Yohkoh (1991), Wind (1994), SOHO (1995)
ACE (1997), TRACE (1998), Hinode (2006)
STEREO [2] (2006)
MAGNETOSPHÄRE
SAMPEX (1992), Polar (1996),
FAST (1997), Cluster [4] (2000),
Double Star [2] (2004),
Hanns-Seidel-Stiftung,
Wildbad Kreuth
THEMIS [5] (2007)
01-03. Februar 2008
UNSERE KOSMISCHE NACHBARSCHAFT
DIE MILCHSTRASSE
Unsere Heimatgalaxie - die Milchstrasse
Unser großer Nachbar: Andromeda
Durchmesser: ~100000 Lichtjahre
Entfernung: ~2.9 Millionen Lichtjahre
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
N.A. Sharp NOAO/AURA/NSF
UNSERE KOSMISCHE HEIMAT
DIE HELIOSPHÄRE
Die Heliosphäre
Radius: ~100 AE
~ 14 Lichtstunden
1 AE: Abstand Erde Sonne
= 150 Millionen km
1 Lichtjahr: 63240 AE
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
UNSERE KOSMISCHE HEIMAT
DIE INNERE HELIOSPHÄRE
Abstand zur Sonne
Merkur
0.38 AE
Venus
0.72 AE
Erde
1.00 AE
Mars
1.52 AE
1 AE ~ 500 Lichtsekunden
~ 150 Millionen km
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE
Einige Daten der Sonne
Die Sonne
Masse (kg)
Masse (Erde = 1)
Radius (km)
Radius (Erde = 1)
Mittlere Dichte (g/cm3)
Rotationsperiode (Tage)
Fluchtgeschw. (km/sec)
Luminosität (W)
In Erdentfernung:
Mittlere Temperatur der
Oberfläche:
5800° K
Korona:
Alter (Milliarden Jahre)
Entfernung der Erde (km)
SOHO / ESA
1.989 1030
332830
695000
108.97
1.410
25 - 36
618.02
3.8271026
1.3 kW/m2
1 - 2x106 K
4.5
150x106
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE
Einige Daten der Sonne
Die Sonne
Masse (kg)
Masse (Erde = 1)
Radius (km)
Radius (Erde = 1)
Mittlere Dichte (g/cm3)
Rotationsperiode (Tage)
Fluchtgeschw. (km/sec)
Luminosität (W)
In Erdentfernung:
Mittlere Temperatur der
Oberfläche:
5800° K
Korona:
Alter (Milliarden Jahre)
Entfernung der Erde (km)
1.989 1030
332830
695000
108.97
1.410
25 - 36
618.02
3.8271026
1.3 kW/m2
1 - 2x106 K
4.5
150x106
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE
Einige Daten der Sonne
Die Sonne
Masse (kg)
Masse (Erde = 1)
Radius (km)
Radius (Erde = 1)
Mittlere Dichte (g/cm3)
Rotationsperiode (Tage)
Fluchtgeschw. (km/sec)
Luminosität (W)
In Erdentfernung:
Mittlere Temperatur der
Oberfläche:
5800° K
Korona:
Alter (Milliarden Jahre)
Entfernung der Erde (km)
1.989 1030
332830
695000
108.97
1.410
25 - 36
618.02
3.8271026
1.3 kW/m2
1 - 2x106 K
4.5
150x106
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE
Einige Daten der Sonne
Die Sonne
Masse (kg)
1.989 1030
Masse (Erde = 1)
332830
Radius (km)
695000
Radius (Erde = 1)
108.97
Mittlere Dichte (g/cm3)
1.410
Rotationsperiode (Tage)
25 - 36
Fluchtgeschw. (km/sec)
618.02
Luminosität (W)
3.8271026
In Erdentfernung:
1.37 kW/m2
Mittlere Temperatur der
Oberfläche:
5800° K
Korona:
1 - 2x106 K
des Zentrums der Sonne: ~ 15 106 K
Alter (Milliarden Jahre)
4.5
Entfernung der Erde (km) 150x106
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE
Die Atmosphäre der Sonne: Korona
Die Sonne
Masse (kg)
1.989 1030
Masse (Erde = 1)
332830
Radius (km)
695000
Radius (Erde = 1)
108.97
Mittlere Dichte (gm/cm3)
1.410
Rotationsperiode (Tage)
25 - 36
Fluchtgeschw. (km/sec)
618.02
Luminosität (W)
3.8271026
In Erdentfernung:
1.3 kW/m2
Mittlere Temperatur der
Oberfläche:
5800° K
Korona:
1 - 2x106 K
des Zentrums der Sonne: ~ 15 106 K
Alter (Milliarden Jahre)
4.5
Entfernung der Erde (km) 150x106 1AE
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE
INNERER AUFBAU
Die Sonne
Masse (kg)
1.989 1030
Masse (Erde = 1)
332830
Radius (km)
695000
Radius (Erde = 1)
108.97
Mittlere Dichte (gm/cm3)
1.410
Rotationsperiode (Tage)
25 - 36
Fluchtgeschw. (km/sec)
618.02
Luminosität (W)
3.8271026
In Erdentfernung:
1.3 kW/m2
Mittlere Temperatur der
Oberfläche:
5800° K
Korona:
1 - 2x106 K
des Zentrums der Sonne: ~ 15 106 K
Alter (Milliarden Jahre)
4.5
Entfernung der Erde (km) 150x106 1AE
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE
Aktivität und Rotation
Entdeckung der Sonnenflecken
Galileo Galilei (1612)
Florenz
Christoph Scheiner (1611)
Ingolstadt / Donau
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE
PHOTOSPHÄRE - CHROMOSPHÄRE - KORONA
Photosphäre
SOHO / ESA
Chromosphäre und Korona
SOHO / ESA
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE RUHIGE SONNE
DER SOLARE WIND
Der Solare Wind
Wechselwirkung mit der
Magnetosphäre der Erde
ESA / NASA
VSW
~300 - 1000 km/s
Masse: ~ 2x108 kg/s
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE AKTIVE SONNE
Flares and Koronale Massenauswürfe
TRACE / NASA
Solarer Flare
Energie: ~ 1025 Ws
SOHO / ESA
Koronaler Massenauswurf
Coronal Mass Ejection (CME)
~ 1000 - 3000 km/s, ~1010 - 1013 kg, ~ 1025 Ws
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE VARIABILITÄT DER SONNE
Flares and Koronale Massenauswürfe
Solarer Flare
TRACE / NASA
Koronaler Massenauswurf
Coronal Mass Ejection (CME)
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
SOHO / ESA
01-03. Februar 2008
DIE VARIABILITÄT DER SONNE
Solare Energetische Teilchen (SEP)
Flares:
Energetische Teilchen werden
In einem engen Bereich
solarer Länge beobachtet;
(relativ) niedrige Intensität,
bis zu Energien von ~GeV
Zusammensetzung: H, 3He,
4He, C, N, O, Ne, Mg, Si, Fe
Ionenladung: Hoch (z.B. Fe+20;
Quelle bei < 1 RS
Koronale / Interplanetare
Schockwellen:
Energetische Teilchen werden
In einem weiten Bereich
solarer Länge beobachtet;
Hohe Intensitäten von SEPs ;
Zusammensetzung und
Ionenladung wie
Solarer
Hanns-Seidel-Stiftung,
Wildbad
Kreuth
01-03. Februar 2008
Wind
DIE VARIABILITÄT DER SONNE
Solare Energetische Teilchen
Typisches Beispiel für
die Beschleunigung
von Teilchen in der
Korona und im
interplanetaren Raum
ACE /
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
NASA
DIE VARIABILITÄT DER SONNE
Teilchen Intensitäten im Interplanetaren Raum
Daten von ACE / EPAM (p) and ACE / SIS (O)
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE VARIABILITÄT DER SONNE
Korotierende Ereignisse
Sonnenwind + energetische Ionen
Yohkoh / ISAS
Ionen
VSW
2007
ACE + STEREO
Ulysses / ESA
CIRs: Corotating Interaction Regions
Korotierende Ereignisse
• Teilchenbeschleunigung im interplanetaren
Raum
• Kompression der Magnetosphäre
• Beschleunigung
von Elektronen bis zu ~MeV
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
in der Magnetosphäre
01-03. Februar 2008
ENERGIEREICHE STRAHLUNG
Solarer und Galaktischer Ursprung
• Sonnenwind
• Korotierende Ereignisse
• Interplanetare Schockwellen
• Galaktische
kosmische Strahlung
ACE / NASA
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
SCHUTZSCHILDE DER ERDE
Gegen Energiereiche Strahlung
Abschirmung gegen galaktische
kosmische Strahlung durch den
Sonnenwind+Interplanetares
Magnetfeld
Abschirmung durch das Magnetfeld
der Erde und durch die Atmosphäre
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE VARIABILITÄT DES SYSTEMS SONNE-ERDE
ZEITSKALEN
• Kurze Zeitskalen
Flares, Solar Wind Variationen, CMEs
(Sekunden - Stunden - Tage)
• Mittlere Zeitskalen
Rotation der Sonne (27 Tage)
• Lange Zeitskalen
Solar Zyklus (11y, 22 y)
• Astronomische Zeitskalen
~ 23 ky, ~41ky, ~100 ky
(Milankovic - Zyklen)
• Galaktische Zeitskalen
Bewegung des Sonnensystems
gegenüber unserer galaktischen
Umgebung: ~ My
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE VARIABILITÄT DER SONNE
Lange Zeitskalen: Sonnenflecken Zyklus
Grosse Variation der Solaren
Aktivität während eines Solarzyklus:
Die Anzahl der Sonnenflecken, Flares,
CMEs variiert stark
Indirekter Effekt:
Modulation der Galaktischen
kosmischen Strahlung
Sonnenfleckenzahl für 1950 - 2000
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE VARIABILITÄT DER SONNE
Variation von Strahlung und Aktivität
Aber:
Große Variation der Anzahl
von Flares, CMEs, SEPs, CIRs,
Die Variation der Strahlung über
den Solarzyklus ist klein: ~0.2%
Lean & Fröhlich, 1998
Fröhlich & Lean, 2004
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
Gopalswamy, 2007
VARIABILITÄT DES SONNE-ERDE SYSTEMS
Zeitskalen der Erdumlaufbahn: Milankovic Zyklen
Präzession
~25.8 ky
Variation der
Exzentrizität ε
Zur Zeit: ε = 0.0167
~100 ky, 400 ky
Variation der Neigung
der Erdachse
~41 ky
MILANKOVIC ZYKLEN
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
VARIABILITÄT DES SONNE-ERDE SYSTEMS
Variation der Erdumlaufbahn
Variation der Exzentrizität der Erdumlaufbahn:
ε ~ 0.005
- 0.05
Hanns-Seidel-Stiftung,
Wildbad
Kreuth
a
01-03. Februar 2008
Effekte auf der Erde
Lange Zeitskalen
Zeitskalen der Erdumlaufbahn (Milankovic Zyklen)
• Die langen Zeitskalen der Milankovic Zyklen finden sich in Klima - Indikatoren
(z.B. CO2, mittlere Temperatur)
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
2008
Vostok Eiskern, Antarktis
01-03. Februar
DIE INNERE MAGNETOSPÄRE
DIE STRAHLUNGSGÜRTEL
Entdeckung der Strahlungsgürtel im Rahmen des
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
Internationalen Geophysikalischen Jahrs 1957-1958 (Explorer 1, Van01-03.
Allen)
Februar 2008
DIE MAGNETOSPÄRE UND IHRE
WECHSELWIRKUNG MIT DEM SONNENWIND
Nahe an der Erde: Das Magnetfeld hat die Form eines Dipols
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
In größerer Entfernung: Wechselwirkung mit dem Sonnenwind
01-03. Februar 2008
DIE DYNAMISCHE MAGNETOSPÄRE
Wechselwirkung mit dem Solaren Wind
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE DYNAMISCHE MAGNETOSPÄRE
Zugang energetischer Ionen über den Polkappen
Polkappe:
Geomagnetischer
Cutoff
P:
30-60 MeV
He: 8-15 MeV
Hellblau: ISS Orbit
1.
Vor einem
magnetischen
Sturm
R. Leske, Caltech
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE DYNAMISCHE MAGNETOSPÄRE
Die Polkappen während eines magnetischen Sturms
Polkappe:
Geomagnetischer
Cutoff
P:
30-60 MeV
He: 8-15 MeV
Hellblau: ISS Orbit
2.
Während eines
magnetischen
Sturms
R. Leske, Caltech
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
Dynamischer
Strahlungsgürtel:
1993-1995
Relativistische Elektronen,
gemessen in einer polaren
erdnahen (600 km) Umlaufbahn
(SAMPEX).
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DAS NORDLICHT
AURORA
Aurora in Nürnberg
07.11.1605
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DAS NORDLICHT
AURORA
Aurora
Alaska
Aurora, von oben gesehen
Nord- und Südpol
POLAR / NASA
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
WELTRAUMWETTER
ÜBERSICHT ÜBER AUSWIRKUNGEN
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
Effekte im erdnahen Weltraum
Hohe Flüsse energetischer Teilchen (Solare Flares, CMEs, CIRs)
• keine polaren Flüge mit
Soyuz TMA oder Space
Shuttle
• keine Außenbordmanöver
auf der ISS
• Änderung der polaren
Flugrouten der Passagierflugzeuge
• Strahlenschäden in
Satelliten
• Degradation der Solarpanels
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
- und auf der Erde
Magnetische Stürme (nach CMEs, Interplanetaren Schocks)
ƒ Änderung des Elektronen Gehalts der Ionosphäre
(d.h. Degradation der GPS
Genauigkeit, Störungen im
Funkverkehr)
X
• Ausfall von Transformatoren (z. B. 1989, Stromausfall in Quebec, Kanada)
• Induzierte Ströme in
Pipelines (Korrosion)
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE IN 3D
DIE STEREO MISSION (NASA)
STEREO
Solar Terrestrial Relations Observatory
Stereoskopische Beobachtungen der
Sonne und von CMEs mit
2 Observatorien
Start: 26 October 2006 KSC / Florida
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE SONNE IN 3D
DIE STEREO MISSION (NASA)
STEREO
Solar Terrestrial Relations Observatory
Stereoskopische Beobachtungen der
Sonne und von CMEs mit
2 Observatorien
Start: 26 October 2006 KSC / Florida
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE STEREO MISSION
DIE SONNE IN 2D
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE STEREO MISSION
NUN BITTE DIE STEREO BRILLE AUFSETZEN.
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE STEREO MISSION
DIE SONNE IN 3D
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
STEREO
DIE ERSTEN BILDER IN 3D
May 5, 2007
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
STEREO IN 3D
NASA/GSFC
Scientific Visualization Studio
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
DIE FERNERE ZUKUNFT - ESA / NASA
SOLAR ORBITER + SENTINELS
Flotte mit 6 Satelliten (4 IHS: 0.25 - 0.75 AE)
Solar Orbiter (ESA) Start: ~ 2015
SENTINES (NASA) Start: ~2017
SOLAR PROBE
Flug durch die Korona bei ~3 RS
Status: Studienphase (Start: ?)
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
WEITERE VERANSTALTUNGEN ZUM THEMA
Planetarium Ausstellung
Poster + Exponate
(Satelliten, Experimente, Modelle, Filme)
Ausstellungen in
Bochum
Mannheim
Berlin
Nürnberg
Halle
Cottbus
April - Juni 2007
Juli - September 2007
Oktober - Dezember 2007
16. Januar - März 2008
Mai - Juli 2008
August - Oktober 2008
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
INFORMATIONSMATERIAL ZUM THEMA
SONNE - ERDE WECHSELWIRKUNG
Internet
IHY-International:
http://ihy2007.org/
IHY - Deutschland
http://www.ieap.uni-kiel.de/et/agheber/ihy2007/
Interaktive CD
Weltraumwetter (d, e, fr)
Sterne und Weltraum
Unsere Sonne - Motor des
Weltraumwetters
DVD - Film
SOLARMAX
Hanns-Seidel-Stiftung, Wildbad Kreuth
01-03. Februar 2008
INFORMATIONSMATERIAL ZUM THEMA
SONNE - ERDE WECHSELWIRKUNG
Internet
IHY-International:
http://ihy2007.org/
IHY - Deutschland
http://www.ieap.uni-kiel.de/et/agheber/ihy2007/
Interaktive CD
Weltraumwetter (d, e, fr)
Sterne und Weltraum
Unsere Sonne - Motor des
Weltraumwetters
DVD - Film
SOLARMAX
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01-03. Februar 2008
INFORMATIONSMATERIAL ZUM THEMA
SONNE - ERDE WECHSELWIRKUNG
Internet
IHY-International:
http://ihy2007.org/
IHY - Deutschland
http://www.ieap.uni-kiel.de/et/agheber/ihy2007/
Interaktive CD
Weltraumwetter (d, e, fr)
Sterne und Weltraum
Unsere Sonne - Motor des
Weltraumwetters
DVD - Film
SOLARMAX
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INFORMATIONSMATERIAL ZUM THEMA
SONNE - ERDE WECHSELWIRKUNG
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Interaktive CD
Weltraumwetter (d, e, fr)
Sterne und Weltraum
Unsere Sonne - Motor des
Weltraumwetters
DVD - Film
SOLARMAX
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VIELEN DANK FÜR IHRE
AUFMERKSAMKEIT
ENDE
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01-03. Februar 2008