Die Sonne, Stern unserer Erde

296 Pages·1996·13.414 MB·German

by  Kenneth R. Lang

KENNETH R. LANG
Die SONNE, Stern unserer Erde
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Kenneth R. Lang
Die SONNE,
Stern unserer Erde
Übersetzt von Anita Ehlers
Mit 133 Abbildungen davon 61 in Farbe
Springer
Professor Kenneth R. Lang
Department of Physics and Astronomy
Robinson Hall
Tufts University
Medford, MA 02155, USA
Übersetzerin
Anita Ehlers
Riedener Weg 60
D-82319 Starnberg
Umschlagbild: Die Sonne, aufgenommen durch ein Röntgenteleskop bei der Yohkoh Mission
der ISAS, Japan. Das Teleskop wurde zur Verfügung gestellt durch das Lockheed Palo Alto Labo
ratory, das National Astronomical Observatory, Japan, und die Universität Tokyo, mit Unter
stützung der NASA und ISAS.
Titel der amerikanischen Originalausgabe: Sun, Earth and Sky
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995
ISBN 978-3-662-06683-6 ISBN 978-3-662-06682-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-06682-9
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Lang, Kenneth R.: Die Sonne, Stern unserer Erde / Kenneth R.Lang. Übers. von Anita Ehlers.
Berlin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona; Budapest ; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris;
Santa Clara ; Singapur ; Tokio:
Springer, 1996
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1996.
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1996
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wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Hersteller: c.-D. Bachern, Heidelberg
Schutzumschlaggestaltung: Design Concept, Emil Smejkal, Heidelberg
© für den Liedtext »Here comes the Sun« auf S. VI: 1969 Harrissongs,Ltd.
Reproduktionen der Halbtonabbildungen: Schneider Repro GmbH, Heidelberg
Datenkonvertierung, Reproduktion der Strichabbildungen
SPIN: 10478190 55/3144 - 543210 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Julia Sarah Lang
gewidmet
Here comes the Sun.
Here comes the Sun and I say
It's alright.
Little darling, it's been a long, cold, lonely winter.
Little darling, it feels like years since it's been here.
Here comes the Sun. Here comes the Sun and I say
It's alright.
Little darling, the smiles returning to their faces.
Sun, Sun, Sun, Here it comes.
George Harrison
Vorwort
Dieses Buch wurde für meine Tochter Julia geschrieben: Ihre Liebe und ihr
Beistand gaben mir Kraft. Es ist eine Freude zu sehen, wie Julia bei allem,
was sie umgibt, den Einzelheiten Beachtung schenkt. Kinder und andere
neugierige Menschen nehmen Welten wahr, die für die meisten von uns un
sichtbar sind.
Dieses Buch beschreibt einige dieser unsichtbaren Welten, vom verbor
genen Sonneninneren bis zu der durchsichtigen Erdatmosphäre. Wir konn
ten sie entdecken und erforschen, weil das Raumfahrtzeitalter eine Erweite
rung unserer Sinne ermöglichte.
Noch vor einem halben Jahrhundert konnten Astronomen den Kosmos
nur im sichtbaren Licht wahrnehmen. Die moderne Technologie hat unsere
Wahrnehmungsfähigkeit erweitert; mit ihrer Hilfe erfassen wir die unsicht
baren Bereiche der subatomaren Teilchen, Magnetfelder, Radiowellen, Ultra
violett- und Röntgenstrahlung. Sie erweitert und schärft unsere Sicht der
Sonne und liefert eine vollständigere Beschreibung der Umwelt der Erde.
Ein wunderbarer neuer Kosmos entfaltet und eröffnet sich uns, weil uns
neuartige Instrumente Augen geben, die uns sehen lassen, was unsichtbar
ist, und Hände, die uns berühren lassen, was wir nicht fühlen können.
Riesige Radioteleskope stimmen sich jetzt auf die Sonne ein und hören
ihr selbst an Regentagen zu. Teleskope auf Satelliten, etwa an Bord von
Yohkoh, dem »Sonnenstrahl«, beobachten unser Tagesgestirn von außerhalb
der absorbierenden Atmosphäre und gewinnen genaue Röntgenbilder einer
für uns unsichtbaren Sonne. Raumschiffe erforschen die unsichtbaren sub
atomaren Teilchen und Magnetfelder auch ganz direkt; so hat das Raumschiff
Ulysses beispielsweise kürzlich zum ersten Mal den Bereich über den Polen
der Sonne erkundet, und die bewunderungswürdigen Voyager-Sonden ha
ben vielleicht sogar den verborgenen Rand des Sonnensystems erreicht.
Meine Kollegen haben mir großzügig ihre von der Erde oder aus dem
Raum aufgenommenen Lieblingsbilder zur Verfügung gestellt. Das Buch
enthält viele graphische Darstellungen, die jeweils neue Einsichten ermögli
chen. Jedes Kapitel beginnt mit einem Werk der modernen Kunst, das zeigt,
wie Künstler die mystischen und übernatürlichen Aspekte der Sonne sehen
oder wie die wechselnde Beleuchtung durch das veränderliche Sonnenlicht
die Sichtweise beeinflußt. Diese Bilder zeigen uns die Sonne in einem ande
ren Licht; sie wärmt uns das Herz, erhellt unsere Tage und heizt unseren
wunderbaren, von Leben strotzenden Planeten Erde.
Dieses Buch beschreibt eine faszinierende Entdeckungsreise und be
richtet von über einem Jahrhundert außerordentlicher Leistungen. Unsere
VIII Vorwort
Reise beginnt tief im Sonnen inneren, wo Kernreaktionen ablaufen. Hier
stößt Antimaterie, die beim Verschmelzen von Atomkernen entstand, mit
der ihr entsprechenden Materie zusammen; der Zusammenstoß vernichtet
sie und verwandelt sie in einen Hauch reiner Strahlungsenergie, wie sie die
Sonne leuchten läßt.
Auch Neutrinos entstehen im Sonnenkern; sie durchlaufen mühelos so
wohl die Sonne als auch die Erde. In jeder Sekunde durchqueren Milliarden
der geisterhaften Neutrinos jeden von uns. Gewaltige unterirdische Neu
trinodetektoren ermöglichen uns einen Blick in den innersten Kern der
Sonne, in dem die Energie erzeugt wird, und doch zählen wir immer zu we
nig Neutrinos. Entweder strahlt die Sonne nicht so, wie wir vermuten, oder
wir irren uns, wenn wir meinen, wir wüßten, was ein Neutrino ist. Gegen
wärtig vermutet man, Neutrinos hätten eine Identitätskrise; vielleicht ver
wandeln sie sich in eine Form, die wir nicht aufzuspüren wissen.
Heute können wir die äußeren Schichten der Sonne gleichsam abschälen
und in ihr Inneres sehen, indem wir ihre weithin spürbaren pochenden Be
wegungen beobachten. Schwingungen der Oberfläche, verursacht durch
Schall, der in der Sonne gefangen ist, verraten uns, woraus das Sonneninnere
besteht. Die sogenannte Helioseismologie ermöglicht es, die Rotationsrate
des Sonneninneren zu messen; das Innere rotiert jedenfalls in äquatornahen
Schichten langsamer als erwartet.
Dann sehen wir die Sonne als magnetischen Stern. Seine sichtbare Ober
fläche ist übersät mit dunklen kalten Bereichen, sogenannten Sonnen
flecken, in denen starker Magnetismus einen Teil des nach außen gerichte
ten Wärme-und Energiestroms erstickt. Die Sonnenflecken sammeln sich in
der Regel in bipolaren Gruppen, die durch Magnetbögen verbunden sind
und die äußere Atmosphäre der Sonne formen und zusammenhalten. Die
Anzahl der Sonnenflecken schwankt etwa alle elf Jahre von einem Maximum
zu einem Minimum und wieder zurück zu einem Maximum; die meisten
Formen der Sonnentätigkeit schwanken in Übereinstimmung mit diesem
magnetischen Sonnenfleckenzyklus.
Im weiteren Verlauf der Reise entdecken wir, daß der scharfe sichtbare
Sonnenrand eine Täuschung ist. Die Sonne wird von einem dünnen heißen
Gas eingehüllt, der sogenannten Korona, die nie in Ruhe ist. Sie brodelt und
wirbelt mit dem Magnetismus der Sonne und schafft ein sich immer verän
derndes unsichtbares Reich, dem sich keine unveränderlichen Eigenschaf
ten zuschreiben lassen.
Das Yohkoh -Röntgenteleskop hat gezeigt, daß helle magnetisierte Struk
turen' sogenannte koronale Schleifen, immerzu in Aufruhr sind; sie beein
flussen im Kleinen wie im Großen und in Zeit und Raum Helligkeit und
Form. Auch die dunklen Röntgenbereiche, sogenannte koronale Löcher, ver
ändern ebenso wie alles andere auf und in der ruhelosen Sonne ihre Gestalt.
Aus ihnen heraus wirbelt ein sehr rascher Sonnenwind, der an den Planeten
vorbeirast, Sonnenmaterie in den Raum bläst und interstellare Materie zur
Seite fegt; er bildet die Heliosphäre. Es ist eines der großen Geheimnisse der
Sonne, wie die Korona, die sich zu diesem Sonnenwind ausdehnt, ihre Tem
peratur von 1 Mio. Grad erreicht.
Vorwort IX
Das Buch betrachtet dann stürmische Vorgänge auf der Sonne, die bei
unsichtbaren Wellenlängen entdeckt werden und mit dem Sonnenfleckenzy
klus der magnetischen Aktivität synchronisiert sind. Gewaltige Ausbrüche,
sogenannte Sonnenflares, setzen in wenigen Minuten magnetische Energie
frei, die Milliarden von Kernexplosionen entspricht; dadurch steigt die Tem
peratur von Bereichen, die so groß sind wie die Erde, auf einige 10 Mio. Grad
an. Magnetblasen, sogenannte Korona-Ausbrüche, gehen von der Sonne aus,
wachsen unablässig und sind bald so groß wie sie. Die zugehörigen Schock
wellen beschleunigen die Materie und treiben ungeheuer viele sehr schnelle
Teilchen vor sich her.
Wir wenden uns dann der Erde zu, unserem heimatlichen Planeten, auf
dem Wärme und Licht der Sonne Leben ermöglichen. Unbemannte Raum
sonden haben gezeigt, daß der Raum außerhalb unserer Atmosphäre nicht
leer ist, sondern voller Schwärme heißer, unsichtbarer Sonnenteilchen.
Das Magnetfeld der Erde schirmt uns vom unablässig wehenden Son
nenwind ab, seine Böen jedoch rütteln an unserem Magnetfeld und dringen
gelegentlich hinein. Geladene Teilchen, die den Magnetschirm der Erde
durchstoßen haben, können in solchen nahen Vorratslagern wie den Van
Allen-Strahlungsgürteln gespeichert werden. Vor kurzem haben Raum
schiffe Chemikalien freigesetzt, die den erdnahen Raum erleuchten können;
Satelliten haben einen neuen Strahlungsgürtel entdeckt, der Sternenasche
enthält, die nicht von der Sonne stammt.
Die Reise geht weiter mit einer Betrachtung der vielfarbigen Polarlich
ter. Sonnenelektronen, die mit dem Magnetschweif, also sozusagen anschei
nend durch die Hintertür, die Erde erreichen, erhalten in unserem Magnet
feld zusätzliche Energie und gelangen so in die polare Atmosphäre, die sie
wie ein kosmisches Neonzeichen beleuchten.
Unvorhersehbare heftige Ausbrüche auf der Sonne schleudern geladene
Teilchen und energiereiche Strahlung, die unser Leben beeinflussen kann,
auf die Erde. Die starke Strahlung der gewaltigen Sonnenflares erreicht die
Erde nach nur acht Minuten; sie kann die Erdatmosphäre verändern, lang
wellige Radiokommunikation unterbrechen und Satellitenbahnen stören.
Sehr energiereiche Teilchen brauchen für diesen Weg eine knappe Stunde.
Sie können ungeschützte Astronauten gefährden oder die Elektronik in Sa
telliten zerstören. Massenausbrüche der Sonne erreichen unseren Planeten
nach wenigen Tagen und führen zu starken geomagnetischen Stürmen mit
Polarlichtern und Kurzschlüssen in den Überlandleitungen. All diese Effek
te, die auf den Rhythmus des Magnetzyklus der Sonne abgestimmt sind,
sind für uns lebenswichtig; in den Wetterämtern beobachten deshalb Me
teorologen ununterbrochen von der Erde und aus dem Raum die Sonne, um
vor bedrohlicher Sonnenaktiviät warnen zu können.
Die Erde ist in eine dünne Luftschicht eingehüllt, die uns als Lüftung,
Schutz und wärmende Hülle dient. Sie wirkt als Ventil, denn sie läßt Son
nenlicht hinein, das die Oberfläche erwärmt, verhindert aber das Entwei
chen eines Teils der Wärme in den kalten äußeren Raum. Ohne diesen
»natürlichen« Treibhauseffekt würden die Meere gefrieren; ohne ihn gäbe es
kein Leben, wie wir es kennen. Vor langer Zeit, als die Sonne schwach war,