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Die Sonne -Der Mittelpunkt allen Lebens auf der Erde#

Von Lilian Bruss

Allgemeines#

Unsere Sonne hat einen ungefähren Durchmesser von ca. 1,392 Mio. km und liegt im Mittel 149,56 Mio. km von der Erde entfernt. Weiters hat sie eine Dichte von ca. 1,4 g/cm3 und entspricht in etwa 333.660 Erdmassen. Der Neigungswinkel zur Ekliptikebene beträgt ca. 7° und ist damit sehr viel geringer als bei der Erde (ca. 23°)[1].

Trotz dieser unglaublichen Größe zählt unser Stern im Hertzsprung-Russell-Diagramm zu den Hauptreihensternen und liegt dabei in etwa in der Mitte. Unser Stern hat eine ungefähre Oberflächentemperatur von ca. 5500K (Fotosphäre), eine Leuchtkraft von 1 und befindet sich damit in der Spektralklasse G (gelbe leuchtende Sterne)[2].

Entstehung#

Entstanden ist die Sonne vor etwa 4,5 Milliarden Jahren durch eine Gaswolke. Diese Gas- bzw. Staubwolke, aus welcher sich überhaupt erst ein Stern bilden konnte, stammte aus einer Supernova-Explosion und setzte sich aus vielen chemischen Elementen, wobei Helium und Wasserstoff hierbei den größten Anteil hatten, zusammen.
Die Gaswolke brach unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammen und verdichtete sich. Hierbei bewegten sich mehrere Gasteilchen in dieselbe Richtung und erzeugten auf diese Weise die Grundrotation. Ihr folgte eine Minimierung des Abstandes zwischen den einzelnen Teilchen, was wiederum zu einer Steigerung der Rotationsbewegung führte. Daraus resultierte eine Scheibe in dessen Zentrum die Sonne heranwuchs. Alle anderen Staubteilchen um die Sonne herum wurden zu den Planeten unseres Sonnensystems. Diese Scheibe ist noch immer in Form der Ekliptikebene vorhanden[3].

In 7 Milliarden Jahren wird die Sonne sich zu einem Roten Riesen aufblähen, weil sie keinen Wasserstoff mehr zur Kernfusion zur Verfügung hat und geht zu Heliumkernen, welche sie in Kohlenstoff verbrennt, über. Dabei wird mehr Energie erzeugt als zuvor und eine enorme Leuchtkraft erzeugt, welche zum Aufblähen der Sonne führt. Ist kein Brennstoff mehr vorhanden, stößt unser Stern Gase und Masse ab und wird zu einem Weißen Zwerg umgeben von planetarischen Nebel. Wäre die Sonne ungefähr um das Achtfache größer, würde aus ihr ein Roter Überriese werden und nach einer gewaltigen Supernova-Explosion ein schwarzes Loch oder Neutronenstern[4].

Aufbau#

Die Sonne ist nicht fest und besteht zu größten Teilen aus Wasserstoff und Helium. In ihrem Innersten befindet sich der Kern, in welchem sie Kernfusion betreibt. Dort herrschen Temperaturen von ca. 15 Mio. K und ein Druck von 20*1015 Pa[5].

Die folgenden Schichten, welche den Sonnenkern umhüllen, müssen von den Photonen (Lichtteilchen), die im Kern erzeugt wurden, erstmal viele Tausend Jahre lang durchwandert werden, bis sie schließlich von der Sonnenatmosphäre abgestrahlt werden können. Deshalb würde uns ein plötzlicher „Ausfall“ der Sonne erst zeitverzögert auffallen, weil die erzeugte Energie zwischen 10.000 und 170.000 Jahre durch die verschieden Schichten der Sonne unterwegs ist[6].
Die nächste mächtige Schicht nach dem Kern ist die Strahlungszone, welche von der Sonnenenergie in Form von Strahlung durchwandert wird.

Ihr folgt die Konvektionszone. Jene ist eine „Wirbelschicht“, in der die Energie in Form von Konvektion weitergegeben wird[7].

Die an die Konvektionszone anschließende Fotosphäre bildet die Oberfläche der Sonne und hat eine Temperatur von ca. 5500 K. Die Fotosphäre gibt die gesamte im Sonneninneren erzeugte Energie als sichtbares Licht ab. In dieser Zone treten auch die sogenannten Sonnenflecken auf.

Die Chromosphäre ist die nächste Schicht der Sonnenatmosphäre und nur bei einer totalen Sonnenfinsternis als rötliches Gas zu sehen.

Der äußere Rand der Chromosphäre nennt sich Korona und ist ebenfalls nur bei einer totalen Sonnenfinsternis als heller äußerer Kranz sichtbar. Dieser Teil der Atmosphäre kann sogar mehrere Millionen Grad heiß werden[8].

Aufbau der Sonne
Aufbau der Sonne nach Schalen. Grafik: © L. Bruss, 2019

Kernfusion#

Wie schon erwähnt, besteht die Sonne zu großen Teilen aus Wasserstoff. In einer chemischen Reaktion, die nur unter extremer Hitze und extremen Druck stattfinden kann, werden zwei Wasserstoffkerne zu Helium verschmolzen und dabei wird Energie frei. Durch den Druck werden die Atome nahe genug zusammengedrückt, sodass die elektromagnetische Wechselwirkung (gleich geladene Teilchen stoßen sich ab) überwunden werden kann und die starke Wechselwirkung überwiegt.
Bei der Fusion kommt es zu einem Massendefekt. Das bedeutet konkret, dass das Gesamtgewicht aller Einzelkomponenten, sprich der Wasserstoffkerne, größer ist als das Gesamtgewicht der fusionierten Kerne. Diese Differenz wird in Energie umgewandelt, die dazu führt, dass die Heliumkerne schneller schwingen als die Wasserstoffkerne zuvor. Bei dieser Bewegung erzeugen die Kerne Reibung und somit Wärme und Licht. In späteren Entwicklungsphasen werden Heliumatome wiederum zu Kohlenstoff verbrannt und so weiter, bis schlussendlich Eisen den Abschluss bildet[9].

Der Druck, welcher die Atome näher zusammendrückt, und die hohe Temperatur, welche die Atome beschleunigt, reichen aber noch nicht aus, um die Kerne zum Fusionieren zu bringen. Dass es trotzdem funktioniert, ist dem Tunneleffekt zu verdanken. Diesen Effekt kann man sich wie folgt vorstellen:
Zwei sogenannte Potentialbarrieren sperren die einzelnen Atomkerne sozusagen ein. Trotz der Barrieren besteht eine Wahrscheinlichkeit für den Kern, sich außerhalb dieser Grenzen zu befinden. Die Atome tunneln also sozusagen durch die Potentialbarrieren[10].

Anschauungsmodell für den Tunneleffekt
Anschauungsmodell für den Tunneleffekt: Die roten Linien stellen die Potentialbarrieren dar. Die blauen Kreise sind Wasserstoffkerne. Die blauen Linien beschreiben die Wahrscheinlichkeit, wo sich der Kern befindet. Grafik: © L. Bruss, 2019

Andere Sonnenaktivitäten#

Die Sonne ist von vielen Elektronen und Protonen durchzogen, welche durch ihre Bewegung ein Magnetfeld induzieren. Dieses Magnetfeld ist aber nicht immer gleich, sondern verändert sich andauernd. Deshalb kommt es manchmal zu Ausstülpungen magnetischer Feldlinien, wobei sich die elektrischen Teilchen dann in einem großen, in die Sonnenatmosphäre hinausreichenden Bogen (Protuberanz) befinden.

Es ist möglich, dass sich einer dieser Bögen von der Sonne löst und die geladenen Teilchen ins Weltall entlassen werden. Diese von der Sonne ins Weltall hinausgeschleuderten elektrische Teilchen(Sonnenwind)erzeugen Polarlichter an den Polkappen unserer Erde, wenn sie mit unserem Magnetfeld zusammenstoßen.

Sonnenflecken sind dunkle Stellen auf der Sonnenoberfläche, die einem 11-jährigen Zyklus folgen. Tatsächlich erscheinen sie uns nur dunkler als die restliche Oberfläche der Sonne, weil sie um ca. 30 % weniger Energie abstrahlen als ihre Umgebung. Sie werden ebenfalls vom Magnetfeld der Sonne verursacht, das in diesen Bereichen besonders intensiv ist.
Um die Sonnenflecken herum treten leuchtende Zonen auf, welche von der erhöhten Stärke des Magnetfeldes verursacht werden. Diese Zonen nennt man Sonnenfackeln[11].


Literaturverzeichnis#

  • Das große Buch des Allgemeinwissens. Ein unentbehrliches Nachschlagewerk für die ganze Familie. Verlag Das Beste Stuttgart, 1991
  • Die große Bertelsmann Lexikothek: Bertelsmann Lexikon Band 13. Bertelsmann Lexikon Inst., 1991
  • Gruber, Werner: Flirten mit den Sternen. Was Sie schon immer über das Universum wissen wollten, aber nie zu fragen wagten. Ecowin Verlag, 1. Auflage, 2019
  • Überacker, Matthias: Der Tunnelblick, 2007. https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/quanteneffekte/tunnelblick/ (letzter Zugriff: 11.08.2019)

[1] Gruber, 2019, 101-103 und Das große Buch des Allgemeinwissens, 1991, S. 7

[2] Gruber, 2019, S. 25, 28, 29, 38

[3] Gruber, 2019, S. 40, 41

[4] Gruber, 2019, S. 30, 35, 37-39, 105-106

[5] Gruber, 2019, S. 25 und Bertelsmann Lexikon Band 13, 1991, S. 273

[6] Gruber, 2019, S. 100

[7] Das große Buch des Allgemeinwissens, 1991, S. 7

[8] Gruber, 2019, S. 101

[9] Gruber, 2019, S. 93-99, 105

[10] Überacker, 2007

[11] Gruber, 2019, 101-103 und Das große Buch des Allgemeinwissens, 1991, S. 7