Die neu beschriebene „Sonnenuhr“ kann Ereignisse des Sonnenzyklus Jahre im Voraus genau vorhersagen

Seit Menschen vor etwa 400 Jahren zum ersten Mal Sonnenflecken beobachten konnten, haben wir sie verwendet, um zu versuchen, den Sonnenzyklus zu definieren. Ungefähr alle 11 Jahre ebbt und senkt sich die Sonnenaktivität wie Sonnenflecken und Sonneneruptionen, was zu Änderungen der Wettermuster auf der Erde führt und gelegentlich die Telekommunikation bedroht. Die zuverlässige Vorhersage dieser Veränderungen könnte allen helfen, vom Landwirt bis zum Militär.

Traditionell haben Wissenschaftler das Konzept eines „Sonnenminimums“ verwendet, bei dem die Sonnenaktivität abnimmt, um den Beginn jedes Zyklus zu markieren. Aber der Rahmen des „solaren Minimums“ ist etwas willkürlich und ungenau, erklärt Robert Leamon, Forschungswissenschaftler bei der Partnership for Heliophysics and Space Environment Research (PHaSER), einer UMBC-Partnerschaft mit der NASA.

Leamon hat neue Forschungen geleitet, die zeigen, dass eine „Sonnenuhr“, die auf dem Magnetfeld der Sonne und nicht auf dem Vorhandensein oder Fehlen von Sonnenflecken basiert, viele wichtige Veränderungen während des Sonnenzyklus genau beschreiben und vorhersagen kann. Das neue Framework bietet eine deutliche Verbesserung gegenüber der traditionellen Sonnenfleckenmethode, da es Schwankungen gefährlicher Sonneneruptionen oder sich ändernde Wettertrends Jahre im Voraus vorhersagen kann.

Insbesondere die neue Forschung, veröffentlicht in Grenzen in Astronomie und Weltraumwissenschaften, zeigt, dass der Sonnenzyklus als eine eindeutige Abfolge von Ereignissen funktioniert. Bemerkenswerte und manchmal abrupte Änderungen treten bei jedem Fünftel eines Zyklus auf. Das gilt unabhängig von der genauen Länge eines bestimmten Zyklus, die von mehreren Monaten bis zu einem Jahr variieren kann. In Anspielung auf Musikbegeisterte nennen Leamon und Kollegen es einen „Quintenzirkel“.

Orientierungspunkte finden

Das neue Papier von Leamon und seinen Kollegen Scott McIntosh vom National Center for Atmospheric Research (NCAR) und Alan Title vom Lockheed Martin Advanced Technology Center baut auf der Arbeit von Leamon, McIntosh und Daniel Marsh auf, die ebenfalls am NCAR veröffentlicht wurden im Jahr 2020. Dieses Papier demonstrierte die Existenz eines Phänomens des Sonnenzyklus, das das Forschungsteam als „Terminator“ bezeichnete.

Das Magnetfeld der Sonne ändert die Richtung in jedem Sonnenzyklus, aber es gibt Überschneidungen zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen. Das Magnetfeld der Sonne wird manchmal als Polarfeld bezeichnet, weil es entweder auf den einen oder den anderen Pol der Sonne zeigt. Ein Terminator markiert, wenn das Polarfeld des vorherigen Zyklus vollständig von der Sonnenoberfläche verschwunden ist, worauf schnell ein dramatischer Anstieg der Sonnenaktivität folgt.

Das neue Papier weist auf weitere Meilensteine ​​entlang der Reise durch einen vollständigen Sonnenzyklus von Terminator zu Terminator hin. Diese Orientierungspunkte sind klarer und konsistenter als die Verwendung von Sonnenflecken als Anhaltspunkt für die Zykluslänge. Zum Beispiel: „Die maximale Anzahl von Sonnenflecken stimmt nicht ganz mit der Polarfeldumkehr überein, aber die Polarfeldumkehr erfolgt bei genau einem Fünftel des Zyklus von Terminator zu Terminator“, sagt Leamon.

Bei zwei Fünfteln eines Zyklus bilden sich an den Polen der Sonne erneut dunkle Bereiche, die als „polare koronale Löcher“ bezeichnet werden. Bei drei Fünfteln eines Zyklus tritt der letzte X-Flare auf, eine Klasse sehr großer und potenziell gefährlicher Sonneneruptionen. Bei vier Fünfteln sind die Sonnenflecken minimal – aber dieser Orientierungspunkt ist weniger konsistent. Und dann passiert die Sonne einen weiteren Terminator, wonach die Sonnenaktivität schnell wieder ansteigt. Auch andere Phänomene, wie UV-Emissionen, passen gut zu den Quinten.

Symptome und Ursachen

Das Team wählte Muster in Daten aus, die täglich von zwei bodengestützten Observatorien gesammelt wurden. Das Dominion Radio Astrophysical Observatory in Penticton, Kanada, hat seit 1947 täglich den solaren Radiofluss gemessen, der als nützlicher Proxy für die Sonnenaktivität dient. Das Wilcox Solar Observatory an der Stanford University sammelt seit 1975 tägliche Messungen von Magnetfeldern auf der Sonnenoberfläche.

Als das Team die Veränderungen bemerkte, die genau bei einem Fünftel eines Zyklus auftreten, fragten sie: „Wie viele verschiedene Sonnendinger können wir betrachten? Und dann stellten wir fest, dass sie sich alle auf denselben Quinten überschneiden“, sagt Leamon. Verschiedene Parameter verschieben sich an verschiedenen Punkten des Zyklus, aber „alles ist an diese fünf Orientierungspunkte gebunden“.

Diese neue Theorie einer Sonnenuhr verschiebt den Fokus von Sonnenflecken auf Verschiebungen im Magnetfeld. „Es ist fast wie Symptome und Ursachen“, sagt Leamon. Während Sonnenflecken ein wichtiges Symptom sind, ist das Magnetfeld die zugrunde liegende Ursache, die den Sonnenzyklus antreibt.

Die längsten Fäden

Diese Verschiebung des Rahmens verbessert die Fähigkeit der Forscher, Ereignisse im Sonnenzyklus genauer und weiter im Voraus vorherzusagen, was Menschen wie Satellitenbetreibern Zeit gibt, sich auf der Grundlage der vorhergesagten Sonnenaktivität nach Bedarf vorzubereiten. Sobald Observatorien eine anfängliche Polarfeldumkehr erkennen, wird die genaue Länge des ersten Fünftels des Zyklus festgelegt. Das bedeutet, dass das Timing der anderen Quinten (und der damit verbundenen Ereignisse) eine einfache Sache der Multiplikation ist.

Der neue Rahmen setzt auch engere Grenzen für den Zeitraum innerhalb des Zyklus, in dem schwere Eruptionen erwartet werden, was nützliche Informationen für die Menschen auf der Erde sind. Anstelle einer allmählichen Verschiebung von minimaler zu maximaler Aktivität scheint der Zeitraum vom Terminator bis etwa drei Fünftel eines Zyklus die Spitzenzeit für Fackeln zu sein, mit einem schnellen Abfall nach diesem Punkt bis zum nächsten Terminator. Der aktuelle Zyklus begann nach einem Terminator im Dezember 2021, und das neue Rahmenwerk sagt voraus, dass die letzten größeren Eruptionen Mitte 2027 auftreten sollten.

Leamon verweist auf ein Zitat des Physikers Richard Feynman, um den Wert einer Theorie wie dieser zu erklären, die viele Variablen innerhalb eines Systems berücksichtigt: „Die Natur verwendet nur die längsten Fäden, um ihre Muster zu weben, sodass jedes kleine Stück ihres Gewebes sichtbar wird die Organisation des gesamten Wandteppichs“, sagte Feynman. Die neue Theorie von Leamon und Kollegen ist ein Beispiel für einen dieser langen Fäden – sie sagt viele Aspekte des Sonnenzyklus mit einem einzigen, einfachen Parameter genau voraus und macht es dem Menschen leichter, auf Veränderungen vorbereitet zu sein, die von der Sonne angetrieben werden.