Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik Dr. Markus Roth Startseite Helioseismologie Projekte Publikationen Vorlesungen Links

Lokale Eigenschaften der Sonne

Eine Weiterentwicklung der Helioseismologie ist die lokale Helioseismologie, die enger mit der Geoseismologie verwandt ist. Sie verwendet Methoden wie die Ring-Diagramm- oder Laufzeit-Laufstrecken-Analyse, um lokal Aussagen über Strömungen oder Magnetfelder im Sonneninneren zu gewinnen.

Ring-Diagramm-Analyse

Wahrscheinlich stammt die erste Studie des Einflusses von lokalen Störungen der Oszillationsfrequenzen 1983 von Douglas Gough und Juri Toomre. Sie wiesen darauf hin, daß die Frequenzen durch den Einfluß einer lokalen Strömung in der Sonne beeinflußt würden. Dieser Hinweis wurde von Frank Hill 1988 in das Ring-Diagramm-Analyseverfahren umgesetzt. Er beobachtete einen 15''x15'' großen Ausschnitt der Sonnenoberfläche über mehrere Tage und korrigierte den Einfluß der Rotation. Aus diesen Daten ermittelte er die spektrale Leistungsdichte, sowohl als Funktion der Frequenz als auch als Funktion der Komponenten des horizontalen Anteils des Wellenvektors. Als Ergebnis erhielt er trompetenförmige Oberflächen, die sich ergeben wenn man im diagnostischen Diagramm die Äste um die Frequenzachse rotiert. Die Analyse nach Strömungen unter der Sonnenoberfläche erfolgt dann derart, daß bei fester Frequenz Schnitte durch diese Oberflächen gelegt werden: Als Ergebnis zeigen sich konzentrische Ringe, von denen jeder einem Ast im diagnostischen Diagramm entspricht. Frank Hill konnte zeigen, daß diese Ringe durch eine verborgene Strömung verschoben und verzerrt werden.

Das Maß der Verschiebung und Verzerrung entspricht dann gerade dem mittleren Einfluß der Strömung, die eine stehende Welle im Sonneninneren erfährt. Auf ähnliche Weise führen lokale Variationen in der Schallgeschwindigkeit zu Veränderungen der Ringe. Durch die Betrachtung verschiedener Ringe bei verschiedenen Frequenzen kann man Daten erhalten, aus denen man die Tiefenabhängigkeit von Strömungen oder von Variationen in der Schallgeschwindigkeit mittels Inversionstechniken bestimmen kann. Wiederholt man eine Ring-Diagramm-Analyse für meherere Bereiche auf der Sonnenoberfläche, so erhält kann man daraus eine Karte mit den unter der Sonnenoberfläche befindlichen Strömungen und Verhältnissen in der Schallgeschwindigkeit erstellen.

Inzwischen wurden detaillierte Untersuchungen der Konvektionszone mit dieser Technik durchgeführt. Damit konnte man meridionale Strömungen mit einer Tiefenausdehnung von mindestens 15 Millionen Metern eindeutig nachweisen. In Zeiten geringer Sonnenaktivität ist diese Strömung vom Sonnenäquator zu den Polen gerichtet. In Zeiten höherer Aktivität ist der Fall etwas komplizierter. Bei den neuesten Analysen, die von Deborah Haber und Kollegen durchgeführt wurden, zeigte sich, daß sich in einer Tiefe von 5 Millionen Metern bis zur Nachweisgrenze von 15 Millionen Metern in einem Bereich ab 20° nördlicher Breite bis zum Nordpol eine Gegenströmung ausgebildet hatte, die zum Äquator orientiert war.

Laufzeit-Laufstrecken-Helioseismologie (Time-Distance Helioseismology)

Die am meisten geläufigste Beobachtung in der Geoseismologie ist die Ankunftszeit einer Erdbebenwelle, die ihren Ursprung (Epizentrum) an einem weit entfernten Ort haben kann. Kennt man die Tiefenabhängigkeit der Geschwindigkeit von seismischen Wellen innerhalb der Erde, kann man die Laufzeit von Wellen zwischen dem Ort eines Erdbebens und dem Ort eines Empfängers mit geometrischen Näherungsmethoden berechnen. Prinzipiell läßt sich so der Ausgangspunkt jedes Erdbeben zeitlich und räumlich durch die Aufzeichnung der Ankunftszeit der Wellen an weltweit verteilten Stationen festlegen.

Die Laufzeit-Laufstrecken-Helioseismologie (engl.: time-distance helioseismology) beruht auf einer ähnlichen Idee. Die Analyse von Laufzeiten und Laufstrecken mißt direkt die Zeiten die eine akustische Welle benötigt, um von einem bestimmten Punkt an der Oberfläche zu ihrem unteren Umkehrpunkt und wieder zurück an die Oberfläche zu laufen. Man spricht von solch einem Laufweg auch von einem Strahlengang. Die Analyse mißt ebenso die Distanz zweier Reflektionen an der Oberfläche. Durch die Messung von Zeitverzögerungen in der Laufzeit in Abhängigkeit von der zurückgelegten Strecke, kann man auf Hindernisse auf dem Weg der Wellen schließen. Nachfolgende Analysen ziehen die so gewonnen Zeitverzögerungen heran, invertieren die Daten und berechnen auf diese Weise Karten der Zustände im Inneren der Sonne, insbesondere vom Magnetfeld, der Schallgeschwindigkeit und Strömungen.

Hier sind einige Strahlengänge unterhalb der Sonnenoberfläche dargestellt. Eine nützliche Faustregel besagt, daß der horizontale Abstand zwischen zwei Reflektionspunkten an der Oberfläche in etwa durch das Pi-fache der Tiefe des unteren Umkehrpunktes gegeben ist. Eine weitere nützliche Faustregel ist, daß die Länge des Strahlengangs viermal so groß ist wie die Tiefe.

Für einen festen Winkelabstand (in Grad) laufen verschieden Wellen zu verschiedenen Tiefen in der Konvektionszone der Sonne. Die flacher laufenden Wellen werden öfters reflektiert, während die tiefer laufenden Wellen weniger reflektiert werden.

Das Diagramm rechts in der obigen Abbildung repräsentiert die Ausgabe von der Laufzeit-Laufstrecken Analyse. Nach gewissen Zeiten und für bestimmte Abstände erscheinen die Wellen wieder an der Oberfläche. Wellen, die direkt gelaufen sind, erreichen die Oberfläche vor den Wellen, die mehrfach reflektiert wurden. Verzögerungen auf dem Weg führen zu einer Verzerrung der Äste in diesem Diagramm. Die SoHO/SOI-MDI Gruppe hat mittels Laufzeit-Laufstrecken- und Inversionsmethoden Ergebnisse über die Zustände unter einem Sonnenfleck erhalten.

Abbildung der Sonnenrückseite

Eine holographische Weiterentwicklung der Laufzeit-Laufstrecken-Helioseismologie wird verwendet um das akustische Abbild eines Sonnenflecks auf der Rückseite der Sonne zu gewinnen. Doug Braun und Charles Lindsey gelang 1997 die praktische Umsetzung dieser Idee. Das Prinzip ist in der obigen Abbildung dargestellt. Wellen die auf der Rückseite der Sonne erzeugt werden können auf der Vorderseite nach ein oder zwei Reflektionen in zwei Bereichen beobachtet werden. Durch eine geeignete Analyse der gemessenen Wellen ist es möglich gezielt auf bestimmte Bereiche auf der Rückseite der Sonne zu fokusieren. Wellen aus aktiven Gebieten erleiden eine Phasenverschiebung, die messbar ist. Die Phasenverschiebung, die man an der Vorderseite mißt, kann in eine Laufzeit umgerechnet werden. In der der folgenden Abbildung ist links ein Vergleich einer solchen Laufzeitbestimmung mit einem Magnetogramm des gleichen Gebiets, nachdem es auf die Rückseite der Sonne gelangt ist, dargestellt. Dort erfolgte aus diesem Gebiet heraus einer der gewaltigsten Ausbrüche des vergangenen Sonnenzyklus (rechte Abbildung).

Von besonderem Interesse ist die Entdeckung aktiver Gebiete auf der Rückseite der Sonne. Dadurch erhält man eine frühzeitige Warnung bevor diese durch die Rotation der Sonne ein bis zwei Wochen später auf die von uns sichtbare Seite gelangen, auf der möglicherweise eine zur Erde gerichtete Eruption erfolgt. Solche Beobachtungen könnten hilfreich sein, das Schadensrisiko solcher Eruptionen zu verringern.

31.08.04 (mr)