Erster Blick auf dynamisches Magnetfeld am Südpol der Sonne

Die einzigartigen Daten der Esa-Raumsonde Solar Orbiter sollen erklären, warum die Aktivität der Sonne im 11-Jahres-Zyklus schwankt

Auf den Punkt gebracht

• Messdaten vom Sonnensüdpol: Im März hatte die Esa-Raumsonde Solar Orbiter erstmals gute Sicht auf den Südpol der Sonne. Erste Auswertungen von Strömungszellen liegen jetzt vor, die die großflächige, netzartige Struktur des Magnetfeldes an ihrer Oberfläche erzeugen. 
• Bewegung zum Pol: Die Strömungszellen und mit ihnen das Magnetfeld driften polwärts – mit höheren Geschwindigkeiten als erwartet. 
• Auf der Spur des 11-Jahres-Zyklus: Die Dynamik des Magnetfelds an den Sonnenpolen dürfte entscheidend sein, um den Ursprung des elfjährigen Zyklus der Sonnenaktivität zu verstehen. Um zu messen, wie sich das globale Magnetfeld der Sonne über viele Jahre verändert, werden weitere Beobachtungen nötig sein.

Die Sonne unterliegt einem strengen Rhythmus. Ihre Aktivität schwankt zyklisch und erreicht etwa alle elf Jahre ein Maximum. Taktgeber sind gewaltige Plasma-Umwälzungen, die sich im Laufe eines Zyklus auf jeder der beiden Halbkugeln der Sonne vollziehen: Oberflächennahe Plasmaströme reißen die Magnetfeldlinien vom Äquator mit und spülen sie bis zum Pol; in der Tiefe fließt das Plasma in einem riesigen, die gesamte Halbkugel überspannenden Kreislauf zurück zum Äquator.

Auf der Spur des 11-Jahres-Zyklus der Sonnenaktivität

Wichtige Einzelheiten dieses solaren „Magnetfeld-Förderbandes“, das als Ursache des 11-Jahreszyklus gilt, sind noch unverstanden. Entscheidend dürften die genauen Vorgänge an den Sonnenpolen sein. Von der Erde aus lassen sich diese Regionen aber nur schwer beobachten und die Eigenschaften des Magnetfeldes an den Polen nicht bestimmen. Auch die meisten Raumsonden unterlagen bisher ähnlichen Einschränkungen. 

Seit Februar 2020 umkreist die Raumsonde Solar Orbiter der Esa die Sonne in einer langgestreckten Ellipse. Im März dieses Jahres verließ sie erstmals die Ebene, in der die Planeten – und fast alle anderen Raumsonden – die Sonne umkreisen. Von einer um 17 Grad geneigten Flugbahn aus hat Solar Orbiter nun erstmals einen besseren Blick auf die Pole der Sonne.

Die feinen Strukturen des Sonnenmagnetfelds

In einer Studie analysieren Forscher unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung Daten des Polarimetric and Helioseismic Imager und des Extreme-Ultraviolet Imager des Solar Orbiter. Die Messdaten, die die Sonde im März 2025 aufgezeichnet hat, liefern Informationen über die Richtung der Plasmaströme und das Magnetfeld auf der Sonnenoberfläche. Die Daten liefern erstmals ein detailliertes Bild der Supergranulation und des magnetischen Netzwerks der Sonne am Südpol. Supergranulen sind Zellen aus heißem Plasma, etwa zwei- bis dreimal so groß wie die Erde, die die Oberfläche der Sonne dicht bedecken.

Ihre horizontalen Oberflächenströmungen spülen Magnetfeldlinien an ihre Ränder und bilden so das magnetische Netzwerk der Sonne: ein Netz aus starken Magnetfeldern.
Zur Überraschung der Forscher driftet das Magnetfeld mit einer Geschwindigkeit von durchschnittlich etwa 10 bis 20 Metern pro Sekunde in Richtung der Pole, fast so schnell wie in niedrigeren Breitengraden. Frühere Studien, die auf Beobachtungen der Ekliptikebene basierten, hatten eine viel langsamere Drift des Magnetfelds in der Nähe der hohen polaren Breitengrade festgestellt. Ihre Bewegung liefert wichtige Hinweise auf die globale Plasma- und Magnetfeldzirkulation der Sonne. „Die Supergranulen an den Polen fungieren als eine Art Tracer. Sie machen die polare Komponente der globalen, elfjährigen Zirkulation der Sonne erstmals sichtbar“, sagt Lakshmi Pradeep Chitta vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

Es ist noch unklar, ob das globale „magnetische Förderband” der Sonne in der Nähe der Pole tatsächlich so schnell läuft, wie in niedrigeren Breiten. Denn die jetzt veröffentlichten Daten zeigen nur eine kurze Momentaufnahme des gesamten Sonnenzyklus. Es sind weitere Beobachtungsdaten erforderlich, die idealerweise längere Zeiträume abdecken.

MPS, MPG/BEU

Hintergrundinformationen

Wie verändert sich die Sonnenaktivität?

Die Sonne verändert ihre Aktivität durchschnittlich in einem 11-Jahres Zyklus. Auf ein Maximum folgt in 9 bis 13 Jahren ein weiteres Maximum. Ein Maß für eine erhöhte Sonnenaktivität sind dabei die Sonnenflecken: Zählt man sie und trägt die Anzahl über die Zeit auf, ergibt sich ein ganz ähnlicher, zyklischer Verlauf wie bei der Strahlungsintensität der Sonne.

Was ist die Ursache für den 11-Jahres Zyklus?

Der Zyklus hat direkt etwas mit dem sich ständig verändernden Magnetfeld der Sonne zu tun. Dieses hat, ähnlich wie die Erde, eine dipolartige Struktur und entsteht durch die Ströme des heißen Plasmas, die im Inneren der Sonne auf und absteigen und sich wie ein Dynamo mit der Rotation der Sonne im Kreis drehen. Alle 9 bis 13 Jahre polt sich dieses Feld vollständig um. 

Warum sich das Magnetfeld umpolt, ist nicht abschließend geklärt. Plausibel aber erscheint dieses Szenario: Die geladenen Teilchen im Sonnenplasma und das Magnetfeld der Sonne können sich nicht gegeneinander bewegen. „Das Plasma ist im Magnetfeld eingefroren“, so beschreibt es Sami Solanki. Die Sonne ist kein starrer Körper, sondern ein Gasball, der durch seine eigene Schwerkraft zusammenhält. Hier rotiert der Äquator schneller um die Sonnenachse als die Polregionen. „Diese differentielle Rotation führt dazu, dass sich das ursprünglich dipolartige Magnetfeld aufgewickelt“, so Solanki weiter. Das Magnetfeld der Sonne verwandelt sich so in fünf bis sechs Jahren von einem Dipol in ein sogenanntes toroidal-dominiertes Magnetfeld. Beim weiteren Umschwenken hin zu einem Dipolfeld umgekehrter Polarität, könnte laut Solanki die Corioliskraft eine Rolle spielen.

Das Aktivitätsmaximum der Sonne fällt genau in den Zeitraum, in dem sich ihr Magnetfeld aufwickelt. Diese Umbruchphase ist gezeichnet durch turbulente Feldkomponenten und sich dynamisch überlagernde Feldlinien. Wenn sich diese einschnüren, entstehen magnetische Kurzschlüsse. Dabei wird so viel Energie freigesetzt, dass das Plasma mit samt des abgeschnürten Magnetfelds ins Weltall spratzt.

Verändert sich auch die Wärmeeinstrahlung der Sonne im 11-Jahres Zyklus?

Ja, aber nur wenig im Vergleich zur menschengemachten Erderhitzung. Ohne das wärmende Licht der Sonne, wäre es auf der Erde mit etwa -19 Grad Celsius sehr kalt. Der natürliche Treibhauseffekt speichert dabei insbesondere den wärmenden Infrarotanteil des Sonnenspektrums unter der Glocke der Atmosphäre. Der von der Internationalen Astronomischen Union festgelegte Richtwert für die pro Quadratmeter eingebrachte Sonnenleistung beträgt aktuell 1361 Watt pro Quadratmeter. Auch dieser Wert unterliegt dem 11-Jahres-Zyklus. Er schwankt aber nur um etwa ein Watt pro Quadratmeter zwischen maximaler und minimaler Sonnenaktivität. Unter dem Strich heizt sich die Erde dadurch weder dauerhaft auf noch kühlt sie sich dauerhaft ab.

Dem gegenüber steht der menschengemachte Treibhauseffekt, hervorgerufen etwa durch CO₂ oder Methan (CH₄). Alle menschengemachten Treibhausgase zusammen heizen die Erde um ganze drei Watt pro Quadratmeter auf. Und da die Treibhausgase nicht rückläufig sind (im Gegenteil), bedeutet das eine kontinuierliche Aufheizung. Die 11-Jahres Schwankung der Sonnenaktivität spielt bei der Klimaerwärmung also keine Rolle. Bemerkenswert ist die kurze Zeitskala innerhalb der die Energiebilanz der Erde durch den Menschen verändert wurde.