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Sonne, Sonnenflecken, Sonnenwinde und Klima

Grundlagen und Expertenwissen.
helios
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Re: Chat-Fenster: Wetter und Off-Topic

Beitrag von helios »

Nach 3 Monaten erlaube ich mir ein etwas ausführlicheres Update zum 25. Sonnenfleckenzyklus zu schreiben.

Der zuvor beschriebene Trend setzt sich fort und der 25. Zyklus liegt immer noch deutlich über der Prognose von NOAA/NASA/ISES.
Hier sind die Monatsdurchschnitte (inkl. Mai 2022) der Sonnenfleckenzahlen mit der NOAA Prognose:
Bild


Wie kam die NOAA Prognose zustande?
Die Prognose ist ein Kompromiss der von einem Gremium gebildet wird, zu dem zahlreiche Wissenschaftler ihre Modelle beitragen, die auf jeweils unterschiedlichen Methoden beruhen. Darunter gibt es auch Extrempositionen, die besonders starke oder schwache Zyklen vorhersagen.

Leider finden vor allem die Extrempositionen den Weg in die Medien, gerade ein Rekord-schwacher Zyklus im Rahmen von einem „Grand Solar Minimum“ scheint bei Gruppen die den menschengemachten Klimawandel in Frage stellen sehr beliebt zu sein.
(Der Vollständigkeit halber sei erwähnt dass die Schwankung der Sonnenaktivität in den letzten Jahrhunderten sehr wahrscheinlich keinen nennenswerten Beitrag zur Klimaveränderung geleistet haben. Auch nicht während der „kleinen Eiszeit“, wie neuere Arbeiten belegen).


Als vielversprechendes Modell möchte ich die Hypothese von Scott McIntosh et al. erwähnen.
Deren Modell hat nicht nur den 25. Zyklus bisher zutreffend vorhergesagt, sondern auch retrospektiv alle Zyklen seit dem 2. Zyklus.

Für den 25. Zyklus sagen sie mit 190 ±20 eine deutlich höhere Fleckenzahl vorher, gegenüber den 116 Sonnenflecken im Maximum des 24. Zyklus (geglätteter Mittelwert). Hier ist ein Diagramm dass deren Vorhersage mit dem tatsächlichen Verlauf zeigt, sowie der um 6 Monate vorgezogenen NOAA-Vorhersage von oben.
Bild
(Mit freundlicher Genehmigung von helio4cast)

Eine kurze Beschreibung der Methode (Das vollständige Paper aus dem Jahr 2020 gibt es hier):
Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zyklen gibt es zwar ein definiertes Sonnenflecken-Minimum. Allerdings gibt es einen jahrelangen Übergang, währenddessen Sonnenflecken des vorhergehenden und nachfolgenden Zyklus gleichzeitig auftreten. Die Zugehörigkeit eines Flecks zum jeweiligen Zyklus lässt sich anhand dessen magnetischen Ausrichtung eindeutig bestimmen.

Einige Monate bzw. Jahre nach dem Beginn des neuen Zyklus verschwinden die Flecken des alten Zyklus komplett. Diesen Zeitpunkt nennen die Autoren „Terminator-Event“.
Im aktuellen Fall war das Fleckenminimum im Dezember 2019 und der Terminator-Event im Dezember 2021.
Aus den Abständen zwischen zwei Terminator-Events ist es den Autoren gelungen, die Intensität des darauffolgenden Zyklus mit einer verhältnismässig geringen Streuung vorherzusagen. Je kürzer der Abstand zwischen zwei Terminator-Events, desto stärker wird der darauffolgende Zyklus.



Neben der Fleckenzahl gibt noch andere Metriken um die Sonnenaktivität zu bestimmen.

Eine praktische Bedeutung hat der „10.7 cm radio flux“.
In der Mitte des letzten Jahrhunderts hat man herausgefunden dass die Sonne Funkwellen aussendet und deren Intensität bei 2800 MHz (das entspricht 10.7 cm Wellenlänge) recht gut die allgemeine Sonnenaktivität widerspiegelt. Im Vergleich zur Sonnenfleckenzahl hat das einige Vorteile. Sie lässt sich objektiv, kontinuierlich und automatisch bei jedem Wetter messen.
Auch beim radio flux zeigt sich das gleiche Bild:
Bild

Imposant zeigt sich die Sonnenaktivität bei der Temperatur in der Thermosphäre in >80 km Höhe:
Bild
(Mit freundlicher Genehmigung von spaceweather.com)

Während die Sonne im sichtbaren Spektrum über den Zyklus kaum Schwankungen in der Intensität zeigt (Sie verdunkelt sich im Maximum sogar etwas, aufgrund der Sonnenflecken), zeigt sie eine enorme Variabilität im Extrem-UV und Röntgenspektrum.
EUV- und Röntgenstrahlen dringen aber nicht tief in die Erdatmosphäre ein, sondern werden in der Ionosphäre absorbiert, was dort aufgrund der geringen Teilchendichte zu einer starken Erwärmung und Ausdehnung führt.

Ich bin sehr gespannt wie sich der 25. Zyklus weiter entwickelt. In den letzten Tagen hat die Sonne eine kleine Pause eingelegt, weshalb Zeit für einen etwas längeren Text blieb ;)
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Severestorms
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Re: Chat-Fenster: Wetter und Off-Topic

Beitrag von Severestorms »

Sehr spannend! Vielen Dank helios für diese ausführlichen Hintergrundinformationen. 💪

Gruss Chris
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helios
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Re: Sonne, Sonnenflecken, Sonnenwinde und Klima

Beitrag von helios »

Zum Jahreswechsel ein Rückblick auf den bisherigen Verlauf vom 25. Sonnenfleckenzyklus.

Der 25. Zyklus hat vor allem Anfang 2022 schneller an Intensität zugenommen, als es von vielen vorhergesagt wurde.
Im Laufe des Jahres hat sich die Entwicklung dann etwas beruhigt, lag aber immer noch deutlich über der Vorhersage von NOAA.
Im Dezember 2022 hat die Aktivität nochmals zugenommen, die monatliche mittlere Sonnenfleckenzahl lag im Dezember bei 113.1.
Bild
(Quelle: NOAA / public domain)


Die höchste tägliche Sonnenfleckenzahl wurde am 3. und 4. Oktober 2022 gezählt mit jeweils 165 Flecken, die allerdings allesamt recht klein und magnetisch wenig komplex waren.

Bild

(Mit freundlicher Genehmigung von NASA/SDO und den Wissenschaftsteams von AIA, EVE und HMI.)


Weil die Sonnenfleckenzahl über die Monate stark schwanken kann, wird zum Vergleich von verschiedenen Sonnenfleckenzyklen die „Monthly smoothed sunspot number“ verwendet. Das entspricht einem 13-monatigen laufenden Mittelwert.
So sieht der Verlauf des 25. Zyklus im Vergleich mit den ähnlichen Zyklen 12, 13, 14, 16 und 24 aus:

Bild

(Mit freundlicher Genehmigung von Jan Alvestad/solen.info)


Die Stimmen der „Grand-Solar-Minimum“-Vertreter sind seit Anfang Jahr recht ruhig geworden. Bevor die Aktivität im Dezember nochmals zugelegt hat, wurde von der Seite der Verdacht geäussert, dass der Zyklus 25 das Maximum bereits überschritten haben könnte.

Eine Einschätzung dazu:
Im Laufe eines Sonnenfleckenzyklus wendet sich das Magnetfeld der Sonne um 180°. Im Sonnenfleckenminimum ist das polare Magnetfeld am stärksten (z.B. Norden oben, Süden unten), im Maximum ist das Feld neutral, und im darauffolgenden Minimum ist das Magnetfeld umgekehrt (Süden oben, Norden unten). Ein vollständiger magnetischer Zyklus („Hale-Cycle“) dauert damit 22 Jahre, doppelt so lange wie ein Sonnenfleckenzyklus.
Um den Stand im Zyklus genau bestimmen zu können, müssten wir daher die Magnetfeldstärke an den Polen der Sonne messen können. Weil das Feld recht schwach ist und wir (und unsere Satelliten) nur von der Seite auf die Sonne sehen können, gestaltet sich das recht schwierig.
Aber die Magnetfeldstärke an den Polen lässt sich indirekt beobachten. Ein deutlicher Hinweis für das noch starke polare Magnetfeld sind die Filamente rund um die Sonnenpole („Polar crown filaments“, PCF), die die (uni)polaren Magnetfelder vom dispersen Feld in tieferen Breiten abgrenzen.
Die PCF wandern vom Minimum bis zum Maximum immer näher an die Pole und lösen sich im Maximum auf. Davon sind wir noch ein Stück entfernt.

Bild

(Mit freundlicher Genehmigung von NASA/SDO und den Wissenschaftsteams von AIA, EVE und HMI.)


Im Vergleich zu früheren Zyklen (prä-24) war die Aktivität bisher recht langweilig, es gab noch keine aussergewöhnlich starken Flares, Eruptionen oder geomagnetische Stürme.

Etwas überraschend war ein Ground Level Enhancement, GLE73, am 28. Oktober 2021.
Wie die Nummer sagt, war es die 73. Beobachtung eines solchen Ereignisses in der Geschichte.
Ein GLE ist so definiert, dass eine Eruption so energiereich ist, dass Teilchen auf der Erdoberfläche festgestellt werden können.
GLE73 war ein vergleichsweise schwaches Ereignis. Aber es war eher ungewöhnlich, weil die meisten GLEs um das Sonnenfleckenmaximum herum auftreten. Es blieb das bisher einzige GLE vom 25. Zyklus, der 24. Zyklus hatte 2 GLEs.

helios
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Re: Sonne, Sonnenflecken, Sonnenwinde und Klima

Beitrag von helios »

Im Januar hat die Sonne nochmal ordentlich zugelegt.
Der Rekord für den 10.7cm Radioflux vom letzten Zyklus wurde deutlich überboten. Zuletzt war der Wert im August 2002 so hoch.
Bei der Sonnenfleckenzahl hat es nicht ganz gereicht (143.6 im Januar, der Rekord vom letzten Zyklus war 146.1).


Bild

(Quelle: NOAA, public domain)


Die tägliche Sonnenfleckenzahl im Januar:

Bild

(SILSO data, Royal Observatory of Belgium, Brussels, public domain)

Sonnenbild vom 19. Januar (206 Flecken)

Bild

(Mit freundlicher Genehmigung von NASA/SDO und den Wissenschaftsteams von AIA, EVE und HMI.)


Im Januar gab es zahlreiche koronale Massenauswürfe, aber leider keine in unsere Richtung.
Zahlreiche M-Klasse Flares und drei X-Klasse Flares, nichts aussergewöhnliches.

helios
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Re: Sonne, Sonnenflecken, Sonnenwinde und Klima

Beitrag von helios »

Die mittlere monatliche Sonnenfleckenzahl im Februar lag bei 110.9, der 10.7cm Radioflux bei 172.
NOAA hat diesen Monat die Zyklus-Vorhersage um eine "Predicted Range" erweitert.

Bild

(Quelle: NOAA/Public Domain)


Der TCI hat im Februaar sämtliche Werte des vorhergehenden Zyklus übertroffen:

Bild

(Mit freundlicher Erlaubnis von spaceweather.com)

In den letzten Tagen gab es Medienberichte über Polarlichter in Norddeutschland.
Das ist zwar nicht sehr ungewöhnlich, aber die Verbindung von zwei Sonnenstürmen war wie aus dem Lehrbuch, weshalb ich die Abfolge festhalten möchte.

Am 24.2. um 20:30 gab es ein M3 Röntgenflare mit koronalem Massenauswurf (CME)
Knapp 24h später am 25.2. um 19.45 gab es von der gleichen Region ein M6 Röntgenflare, ebenfalls mit CME

Bild

(Quelle: NOAA/Public Domain)

Eine Satellitenaufnahme der ersten Eruption im 30.4nm Spektrum (Extrem-UV):

Bild

Eine Video der Eruption habe ich hier hochgeladen: http://94.130.58.182/swr/23-feb/JHV_2023-02-24_23.mp4
(Mit freundlicher Erlaubnis der NASA/SDO und AIA Wissenschaftsteams)

Etwas später ist der Massenauswurf auch im SOHO Koronagraphen zu sehen:

Bild

Als Video: http://94.130.58.182/swr/23-feb/cme-m3-lasco.mp4
(Mit freundlicher Erlaubnis des SOHO/LASCO Teams)

Aus der Aufnahme liess sich schliessen, dass der Kern des CME nordwestlich an der Erde vorbei geht, wir aber etwa 2 Tage später einen Streifschuss abbekommen werden.
24h Später hat sich die aktive Region etwas weiter nach Westen bewegt und ein zweites mal gefeuert:

Bild

Als Video: http://94.130.58.182/swr/23-feb/cme-m6-lasco.mp4
(Mit freundlicher Erlaubnis des SOHO/LASCO Teams)

In den Stunden nach den Eruptionen sind jeweils hochenergetischsten Protonen bei der Erde angekommen. Nach der zweiten Eruption wurde der Warnwert von 10 Einheiten bei 10 MeV überschritten und es wurde ein S1, die niedrigste der 5-Stufigen Warnungen ausgerufen (Minor radiation storm).
Bild
(Diagramm selbst erstellt aus frei verfügbaren Daten von GOES)

Die Plasmawolken selber sind langsamer unterwegs.
Das Plasma der ersten Eruption traf am 26.2. um 18:40 mit einer Geschwindigkeit von rund 700 km/s bei der Erde ein.
Das der zweiten Eruption traf am 27.2. um 10:18 mit 870 km/s ein.

In der Nacht vom 26. auf den 27. wurde mehrmals ein G3, die dritthöchste Warnstufe (Strong Geomagnetic Storm) ausgerufen. Der geomagnetische Sturm war dann auch dafür verantwortlich, dass die Polarlichter in Norddeutschland sichtbar waren.

Die Ankunft der beiden Stürme ist in den Satellitendaten gut zu sehen, ich habe sie mit roten Linien markiert.
Die obersten beiden Diagramme sind Ausrichtung und Stärke des Magnetfeldes im Sonnenwind, die anderen Diagramme sollten selbsterklärend sein (Geschwindigkeit, Dichte, Temperatur des Sonnenwindes)

Bild

(Quelle: NOAA/ACE Public
Domain)


Mehr zu den Warnstufen, die Konsequenzen und Häufigkeiten gibt's in dieser Tabelle bei NOAA:
https://www.swpc.noaa.gov/sites/default ... scales.pdf
Zuletzt geändert von helios am Mi 1. Mär 2023, 21:34, insgesamt 1-mal geändert.

helios
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Re: Sonne, Sonnenflecken, Sonnenwinde und Klima

Beitrag von helios »

Im Juni 2023 haben sowohl die tägliche als auch die monatliche Sonnenfleckenzahl die Rekorde vom letzten Zyklus übertroffen.
Die höchste tägliche Sonnenfleckenzahl war 240 am 22. Juni (der Rekord des 24. Zyklus betrug 220).
Die durchschnittliche Sonnenfleckenzahl im Juni war 163.4 (der Rekord des 24. Zyklus betrug 146.1)
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Die magnetischen Feldstärken sind ein wenig eingebrochen, was darauf hinweist, dass wir uns auf das Sonnenfleckenmaximum zubewegen. Wann genau es ist, lässt sich nicht genau vorhersagen. Wohl irgendwann zwischen jetzt und in zwei Jahren. Viele ernstzunehmende Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Maximum 2024 erreicht sein wird. NASA geht noch von 2025 aus. Aber auch ein "Doppel-Peak" wie beim 24. Zyklus wäre möglich.


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(Magnetische Feldstärke abgeleitet aus Aufnahmen vom SDO/HMI Instrument)

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Re: Sonne, Sonnenflecken, Sonnenwinde und Klima

Beitrag von helios »

Eine kleine Aktualisierung zum Verlauf des 25. Sonnenfleckenzyklus.
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In den letzten Monaten hat der aktuelle Zyklus "offiziell" den vorhergehenden Zyklus übertroffen.
Mit "offiziell" meine ich die "13-month smoothed monthly total sunspot number", den 13-monatigen Mittelwert der Sonnenfleckenzahl, der verwendet wird, um die Zyklen miteinander zu vergleichen.
Dessen Höchstwert betrug im letzten Zyklus im April 2014 116.4.
Der letzte aktuelle Wert ist vom April 2023, da lag er bei 122.7.

NOAA hat inzwischen endlich die Vorhersage für den Zyklus aktualisiert, nachdem die ursprüngliche Prognose viel zu tief war.
Bild

Die Polar Crown Filamente sind immer noch gut sichtbar, was bedeutet dass wir den Höhepunkt des Sonnenfleckenmaximums noch nicht erreicht haben.

Bild

(Mit freundlicher Genehmigung des SDO/AIA-Wissenschaftsteams)

Ende Oktober gab es etwas überraschend einen plötzlichen Einbruch der Sonnenfleckenzahl. Am 25.10. lag sie bei nur 33.
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Die Anhänger der Grand-Solar-Minimum-Theorie (Die gibt es immer noch...) sehen nun endlich ihre Zeit gekommen. Allerdings sind solche Einbrüche nicht ungewöhnlich, es gab in früheren Zyklen auch schon fleckenlose Tage im Sonnenfleckenmaximum. (Siehe den vorhergehenden Zyklus im ersten Diagramm oben)

Noch ein paar Worte zur Grand-Solar-Minimum-Theorie ("GSM"). Die These stammt ursprünglich aus der Feder von Valentina Zharkova, Professorin für Mathematik an der Universität Bradford.

Von der Theorie hat sie bisher nicht losgelassen, sondern einfach den Termin immer weiter nach hinten geschoben, ohne eine Begründung dafür anzugeben. Sie hat lediglich die Skala auf der X-Achse geändert.

Die Theorie wird von ihren Anhängern (und zunächst auch von ihr selber) als Argument genommen, dass das angeblich kommende GSM eine globale Abkühlung verursachen würde.
Tatsächlich könnte die Abkühlung durch ein GSM maximal 0.3°C betragen [1], was eher geringfügig ist, gegenüber der anthropogenen Erwärmung (bisher 1.1°C gemäss IPCC).

Irgendwann hat das wohl auch Zharkova eingesehen. Nun ist sie Co-Autorin von einem neuen Paper [2], nach welchem ein GSM Vulkanausbrüche verursachen und dadurch zu einem globalen Winter führen soll.
Ich lasse das mal unkommentiert.



[1] https://www.newscientist.com/article/mg ... l-warming/
https://doi.org/10.1051%2Fswsc%2F2017019

[2] https://arxiv.org/abs/2203.03637

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