Konvektion, Granulation, und mehr!

BLOG: Astronomers do it at Night

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Astronomers do it at Night

Was haben Wolken und die Oberfläche der Sonne gemeinsam? Eine ganze Menge sogar. Und man sieht es ihnen sogar an, man muß nur ersteinmal drauf kommen. Gut, natürlich gibt es an einer Wolke nichts was auch nur annähernd einem Sonnenfleck gleicht. Aber die Wolken selber haben es in sich…

Als ich letztens während des Fluges zur AME von meinem Fensterplatz aus einen Blick nach draußen warf, sah ich sie mal wieder – die Wolken. Nun sind Wolken für uns alle kein ungewohnter Anblick, und für Astronomen – egal ob nun Amateur oder Profi – meist auch ein leidiger. Aus einem Flugzeug heraus wirken Wolken aber ganz anders als vom Erdboden aus gesehen, wo man ja nur die Unterseite zu Gesicht bekommt. Aus der Höhe kommen sie dagegen meistens viel spektakulärer daher, die sich auftürmenden Massen erscheinen viel plastischer und Bewegungen in den Wolkenschichten sind deutlicher zu erkennen. Das wiederum liegt im wahrsten Sinne des Wortes im Auge des Betrachters: Beim Blick an den Himmel versagt irgendwann das dreidimensionale Sehen. Es fehlt ein Anhaltspunkt, daher verschätzt man sich auch häufig bei Entfernungen von Objekten wie Flugzeugen, Heißluftballons oder auch Meteoren.

Tiefliegende Wolkenschicht in der Morgensonne

Der Anblick der Wolkenschicht auf besagtem Flug war auf den ersten Blick eigentlich herzlich unspektakulär. Keine hohen Ambosswolken, keine deutlich begrenzte Wolkenfront, stattdessen eine geschlossene Wolkendecke, wie sie dort gemächlich über Mitteldeutschland lag. Bei näherem Hinsehen kam mir das Aussehen der Wolkenfläche dann aber doch irgendwie bekannt vor: Kleine unregelmäßig geformte helle Flecken, die sich wabenartig zusammenfügen, jeder einzelne davon umgeben von dunklen Rändern.

Genau dieses Bild bietet einem auch die Oberfläche der Sonne. Schon in kleinen Teleskopen erscheint sie (abgesehen von den sich derzeit ja ziemlich rarmachenden Sonnenflecken) nicht mehr glatt sondern körnig. Erst unter guten Beobachtungsbedingungen offenbaren höhere Vergrößerungen an größeren Geräten dann das apfelsinenschalenartige Muster der Granulation, denn einzelne Granulationszellen haben üblicherweise einen Durchmesser zwischen 0.5" und 2.5" im Durchmesser (das entspricht von der Größenordnung her etwa 1000 km auf der Sonnenoberfläche), so daß weniger das Auflösungsvermögen des Teleskops sondern hauptsächlich die Luftunruhe darüber entscheidet, ob man sie erkennen kann.

Ein Sonnenfleck mit Lichtbrücke inmitten von Granulationszellen, aufgenommen am 25. September 2002 mit dem Swedish 1m Solar Telescope (SST). Image Credit: Thomas Berger (Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory) und Mats Löfdahl (Institute for Solar Physics der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften)

Die einzelnen Granulen scheinen in den dunkleren intergranularen Raum eingebettet zu sein. Innerhalb weniger Minuten wachsen sie, ändern ihre Form, teilen sich oder verschmelzen mit ihren Nachbarn. Die Granulation ist also sehr dynamisch und zeigt uns damit, daß sich die Oberfläche der Sonne laufend verändert.

Dabei ist die Granulation nichts anderes als das Abbild sogenannter thermischer Konvektion, bei der heißes Gas in den Granulen aufsteigt, sich abkühlt und dann im intergranularen Raum wieder absinkt. Die Sonne nutzt diese Materiebewegungen, um die in ihrem Inneren erzeugte Energie nach außen zu transportieren. Der Vergleich mit einem Topf mit kochendem Wasser auf der heißen Herdplatte bietet sich dabei an: Von unten wird kontinuierlich Wärme nachgeliefert, an der Oberfläche blubbert und brodelt es. Das wabenförmige Muster bildet sich dabei von ganz alleine.

Detailbild der Sonnengranulation vom 24. Juli 2002, aufgenommen mit dem Swedish 1m Solar Telescope (SST). Image Credit: Göran Scharmer und Mats Löfdahl (Institute for Solar Physics der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften)

Und mit den Wolken ist es eigentlich ganz ähnlich. Warme feuchte Luft steigt nach oben. Dort kondensiert das Wasser aus und es bilden schließlich Wolken aus kleinen Wassertröpfchen, die Luft kühlt sich ab und kann wieder nach unten sinken. Mithilfe von Zeitrafferaufnahmen kann man sehr gut erkennen, daß auch die Wolkenmassen ständig in Bewegung sind, sich verformen und durchmischt werden.

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Astronomin in vielerlei Hinsicht, so könnte man mich mit wenigen Worten beschreiben. Da ist zunächst einmal die Astrophysikerin, die an der Hamburger Sternwarte über die Aktivität von Sternen promoviert und dabei hauptsächlich mit den Röntgensatelliten Chandra und XMM-Newton gearbeitet hat, aber auch schon am Very Large Telescope in Chile beobachten durfte. Auslöser ihres beruflichen Werdegangs war ein engagierter Lehrer, dessen Astronomie-AG sie ab der 7. Klasse besuchte. Ungefähr zur selben Zeit erwachte auch die Hobbyastronomin, die anläßlich des Einschlags des Kometen Shoemaker-Levi 9 auf den Jupiter begann, mit einem russischen Feldstecher vom Flohmarkt den Tanz der Jupitermonde zu verfolgen. Heutzutage freut sie sich über jede Gelegenheit, mit ihrem 16-zölligen Dobson tief im Odenwald fernab der Lichter der Rheinebene auf die Jagd nach Deep-Sky-Objekten zu gehen. Und da Amateurastronomen gesellige Wesen sind, treffe ich mich gerne mit Gleichgesinnten, zum Beispiel zum gemeinsamen Beobachten. Auch nach meinem Umzug von der Großstadt Hamburg in das schöne Universitätsstädtchen Heidelberg halte ich engen Kontakt zu meinen Vereinskameraden von der Hamburger Gesellschaft für volkstümliche Astronomie und dem Astronomieverein meiner Jugend, dem Arbeitskreis Sternfreunde Lübeck. Seit einigen Jahren bin ich außerdem in dem Internetforum Astrotreff aktiv, wo ich Teil des Moderatorenteams bin. Um meine Faszination an der Astronomie an andere weitergeben zu können, besonders an Kinder und Jugendliche, habe ich mich seit Jahren in der Öffentlichkeitsarbeit engagiert, habe populärwissenschaftliche Vorträge gehalten und Schülergruppen betreut, die in Hamburg das Institut besucht haben. Diese Leidenschaft habe ich nun zu meinem Beruf gemacht. Hier in Heidelberg arbeite ich in einem kleinen aber feinen Team am Haus der Astronomie. Hiermit lade ich Sie ein, lieber Leser, an all diesen Facetten meines Astronomendaseins teilzuhaben. Mal witzig, mal spannend oder nachdenklich, manchmal auch persönlich oder mit Aha-Effekt. Carolin Liefke

3 Kommentare

  1. Schöner Beitrag

    Selbstverständlich ist das ein schöner und kompetenter Beitrag.

    Ich erinnere mich aber auch an die Pfanne mit Mais-Sirup, die über dem Feuer stand, und die ab und zu langsam “Blubb” gemacht hat.

    Viskose Medien über einer Wärmequelle machen das eben ab und zu.

  2. Die Oberfläche der Sonne

    Die Granulation gehört zur Photosphäre, eben jener nur wenige 100 km dicken Atmosphärenschicht der Sonne, die wir mit dem Auge tatsächlich als “Oberfläche” empfinden. Aus der Photosphäre stammt das gesamte sichtbare Licht, das von der Sonne ausgesendet wird. Schon der direkt darunterliegende Teil der Konvektionszone ist unsichtbar, Licht das von weiter unten ausgesendet wird, wird wegabsorbiert und dringt nicht bis nach oben vor.

    Ähnlich wie bei den Sonnenflecken ist das Hell-Dunkel von Granulen und intergranularem Raum ein Kontrasteffekt. Bei den hellen Granulationszellen sehen wir das aufsteigende heiße Material, das abgekühlte Gas, das zwischen den Zellen wieder absinkt, erscheint uns dunkel. Nun ist es nicht so, daß dieses Material überhaupt nicht leuchtet, aber alleine schon dadurch, daß es kühler ist, leuchtet es weniger stark als das heiße aufsteigende Material und erscheint uns deshalb dunkel. Der Termperaturunterschied ist allerdings bei der Granulation nicht ganz so groß wie bei den Sonnenflecken, wo die Differenz bis zu 2000 K beträgt. Die Auf- und Ab-Bewegung direkt an der Oberfläche läßt sich übrigens mithilfe des Dopplereffekts messen.

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