Wie Wissenschaftler die schwierige Aufgabe der Vorhersage des Sonnenzyklus angehen | Quanta-Magazin

Die Sonne sieht unveränderlich aus, eine langweilige Himmelsglühbirne, die immer eingeschaltet ist. Aber dieser fusionsbetriebene Plasmaball ist in ständigem Fluss. Etwa alle 11 Jahre wechselt es zwischen Schlaf und Aktivität, unruhige Epoche, die von Sonnenflecken und Sonneneruptionen wie Flares und Plasmaausbrüchen geprägt ist.

Die Sonne nähert sich nun ihrem maximalen Aktivitätsniveau im aktuellen Zyklus und verhält sich nicht ganz nach Plan. Wissenschaftler hatten vorhergesagt, dass dieser Zyklus wie der vorherige schwach sein würde, aber die Sonne zeigt ein Aktivitätsniveau, das seit mehr als 20 Jahren nicht mehr gesehen wurde. Im Juni und Juli dieses Jahres lag er nach Angaben der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) im Durchschnitt etwa 160 Sonnenflecken täglich, mehr als doppelt so viele wie vorhergesagt. Auch Sonneneruptionen nehmen zu.

Die Diskrepanz zwischen Vorhersage und Beobachtung wurde bereits im Juli 2022 deutlich Nico Fuchs – damals Direktor der Heliophysik-Abteilung der NASA – schrieb auf der Website der NASA dass „die Sonne in diesem Zyklus viel aktiver war als erwartet.“

Aufgrund unserer zunehmenden Abhängigkeit von anfälligen Technologien ist eine zuverlässige Vorhersage des Sonnenzyklus heute wichtiger denn je. Die Erdatmosphäre bläht sich durch die Sonnenaktivität auf und erhöht den Widerstand für die (sehr vielen) Satelliten, die im Orbit manövrieren müssen. Sonnenausbrüche können elektronische Geräte zerstören, Funksignale stören, GPS-Systeme durcheinander bringen und Stromnetze unterbrechen.

Wie bei den meisten Vorhersagen gibt es zahlreiche Herausforderungen bei der Vorhersage des Sonnenzyklus. Es folgt kein klares Muster von einem Zyklus zum nächsten – einige sind kürzer als andere – und die Sonnenphysik ist noch eine relativ junge Disziplin. „Wir sagen gerne, dass wir etwa 60 Jahre hinter den Wettervorhersagern zurückliegen“, sagte er Robert Leamon, ein Sonnenphysiker an der University of Maryland.

In der Vergangenheit suchten Forscher nach statistischen Korrelationen zwischen der Sonnenaktivität und der Anzahl der Sonnenflecken, ihrer Gesamtoberfläche und dem Zeitpunkt ihres Auftretens. Der wissenschaftliche Konsens besteht jedoch darin, dass diese Techniken – selbst wenn sie modernisiert sind – nicht viel über das zukünftige Verhalten der Sonne verraten. Angetrieben durch ausgefeiltere Sonnenbeobachtungen bewerten und verfeinern Wissenschaftler nun Methoden, die stattdessen das Innenleben der Sonne als Leitfaden nutzen.

Während der Fortschritt langsam ist – 11 Jahre sind eine lange Zeit – werfen wir einen genaueren Blick auf den aktuellen Stand der Vorhersage des Sonnensystems. 

Auf der Jagd nach Sonnenflecken

Wissenschaftler begannen versehentlich vor mehr als 400 Jahren, den Sonnenzyklus zu verfolgen, als Galileo zum ersten Mal Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche beobachtete. Jetzt ist klar, dass diese dunklen Flecken während des Sonnenmaximums reichlich vorhanden sind und im Sonnenminimum größtenteils fehlen. Während Wissenschaftler heute ihr Verständnis der Physik, die diese Schwingung antreibt, weiter verbessern, dienen Sonnenflecken immer noch als Indikator für die Aktivität der Sonne.

Im Jahr 1989 begannen NASA und NOAA, Vorhersagegremien für den Sonnenzyklus damit zu beauftragen, die Stärke und den Zeitpunkt des nächsten Sonnenzyklus vorherzusagen. Dazu bewerten Panel-Experten Vorhersagen anderer Forscher auf diesem Gebiet. Diese Vorhersagen verwenden normalerweise einen Wert namens R – der 13-Monats-Durchschnitt der Anzahl der Sonnenflecken (geglättet oder gewichtet über den aktuellen Monat plus sechs Monate auf beiden Seiten) – als Indikator für die Sonnenaktivität.

Nageln R denn das nächste Maximum gilt als Höhepunkt der Vorhersage des Sonnenzyklus.

Allerdings haben die Panels keine besonders gute Erfolgsbilanz vorzuweisen. In 2006, begann das Prognosegremium für Zyklus 24 mit seinen Beratungen; letztendlich das Team konnte keinen Konsens erzielen und prognostizierte, was wenig hilfreich war, dass Zyklus 24 entweder sehr schwach oder sehr stark ausfallen würde. (Es stellte sich als schwach heraus.) „Sie waren völlig in zwei Hälften gespalten“, sagte er Lisa Upton, Co-Vorsitzender des aktuellen Zyklus-25-Vorhersagegremiums und Sonnenphysiker am Southwest Research Institute. „Es gab einige hitzige Auseinandersetzungen.“

Die Vorhersage des Zyklus 25 – der im Dezember 2019 begann – schien viel einfacher zu sein. Im März 2019 sagten Upton und ihre Kollegen voraus, dass es im Juli 2025 mit durchschnittlich 115 Sonnenflecken seinen Höhepunkt erreichen würde. Sie hatten 61 Vorhersagen gesichtet R Werte im Bereich von 50 bis 229, sie bevorzugten jedoch eine Klasse von Vorhersagen auf der Grundlage der Sonnenphysik, die weitgehend miteinander übereinstimmten.

„Wir hatten es ziemlich einfach“, sagte Upton. „Wir waren uns alle einig, dass es einen ziemlich schwachen Zyklus geben würde.“

Die Sonne hatte andere Pläne.

Zeichen der Veränderung

Moderne physikbasierte Methoden gibt es in zwei Varianten. Man sucht nach beobachtbaren physikalischen Parametern – sogenannten Vorläufern –, die die Stärke des bevorstehenden Zyklus vorhersagen. Der andere nutzt Computermodelle, um die Physik der Sonne nachzubilden und weiterzuentwickeln.

Unter den Vorläufern ist der bisher erfolgreichste Prädiktor die Stärke des Magnetfelds an den Sonnenpolen während des Sonnenminimums – auf der das Zyklus-25-Vorhersagegremium seine aktuelle Vorhersage basierte. Wenn die Sonne ruht, ist ihr Magnetfeld ein Dipol, wie ein Stabmagnet mit positiven und negativen Enden. Die Stärke des Dipols steuert einen Prozess, der schließlich die Polarität des Magnetfelds umkehrt, was den Sonnenzyklus verursacht. Wissenschaftler haben im Laufe der Jahre herausgefunden, dass die Stärke des Polarfeldes zumindest stark mit der Stärke des bevorstehenden Zyklus korreliert.

Ein Problem mit diesem Prädiktor besteht darin, dass das Polarfeld seit 1976 nur in den letzten vier Zyklen direkt gemessen wurde. Es gibt jedoch indirekte Möglichkeiten, seine Stärke zu messen, wie z aa-Index, das Störungen im Erdmagnetfeld als Stellvertreter für die Polarfeldstärke verwendet; Diese werden seit über 150 Jahren gemessen und bieten eine weitere Gruppe von Datenpunkten.

„Bei vier Punkten könnte die Korrelation ein Zufall sein, aber wenn man 13 Punkte erreicht, sieht es weniger nach einem Zufall aus“, sagte er Robert Cameron, ein Sonnenphysiker am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen, Deutschland, der Teil des letzten Vorhersagegremiums war.

Eine neue Hoffnung

Kürzlich wurde eine Studie unter der Leitung von Leamon und Scott McIntosh vom National Center for Atmospheric Research identifizierte einen weiteren vielversprechenden Vorläufer namens Terminator-Ereignis. Es ist der Moment, in dem die magnetische Aktivität des vorherigen Zyklus verschwindet und durch die magnetische Aktivität des neuen Zyklus ersetzt wird.

Leamon und McIntosh fanden in historischen Daten Hinweise darauf, dass der Zeitpunkt des Terminators mit der Stärke des neuen Zyklus korrespondiert: Ein früher Terminator führt zu mehr Sonnenflecken und damit zu einem stärkeren Zyklus. Basierend auf dem letzten Terminator, der im Dezember 2021 stattfand, prognostizierte das Paar, dass Zyklus 25 bei 185 Sonnenflecken sein Maximum erreichen und im Juli 2024 seinen Höhepunkt erreichen würde, fast ein ganzes Jahr früher als die offizielle Vorhersage.

„Ich werde mich nicht freuen“, sagte Leamon. „Aber [die Sonne] ist sicherlich viel aktiver als der Panel-Konsens.“

Eine Einschränkung der meisten Vorläufermethoden besteht jedoch darin, dass sie auf dem Sonnenminimum basieren – Wissenschaftler können keine neue Vorhersage treffen, bevor der Zyklus beginnt. Deshalb suchen sie manchmal nach Unterstützung durch physikbasierte Methoden, die komplexen Klimavorhersagemodellen ähneln. Diese Computersimulationen nutzen Fluiddynamik und Elektromagnetismus, um die Sonnenphysik nachzubilden; Wissenschaftler geben dann Beobachtungsdaten ein, um vorherzusagen, wie das Polarfeld und andere Vorläufer in ein paar Jahren aussehen könnten.

Eine vergrabene Logik

Aber physikbasierte Vorhersagen machen nur die Hälfte der Prognosen aus, die das Zyklus-25-Gremium analysiert hat. Der Rest könnte sich in Zukunft als nützlich erweisen, auch wenn er jetzt vielleicht weniger erfolgreich ist.

Hierbei handelt es sich um eine Mischung aus Strategien, von denen die meisten frühere Sonnenzyklen nutzen, um die aktuelle Anzahl der Sonnenflecken vorherzusagen. Solche Methoden finden manchmal starke Korrelationen zwischen Sonnenflecken und Dingen, die zunächst ziemlich zufällig erscheinen, sagte er Víctor Sánchez Carrasco, ein Sonnenphysiker an der Universität Extremadura in Spanien. Diese Korrelationen seien möglicherweise nur Zufall, sagte er, aber es bestehe auch die Möglichkeit, dass sie auf „irgendeine zugrunde liegende Physik zurückgreifen, die wir immer noch nicht verstehen“.

Und Physiker probieren weiterhin neue Ansätze aus, etwa mithilfe künstlicher Intelligenz oder neuronaler Netze, um nach Korrelationen zwischen den jahrhundertealten Sonnenfleckendaten zu suchen. „Mit so langen Zeitreihen ist etwas Mystisches verbunden“, sagte der Astrophysiker Eurico Covas, ein Mitarbeiter des Instituts für Astrophysik und Weltraumwissenschaften in Portugal.

Upton glaubt vorerst immer noch, dass die Vorhersage des Gremiums noch nicht tot ist. „Es sieht so aus, als ob der Zyklus [Stärke] etwas größer sein könnte als wir vorhergesagt, aber nicht wesentlich größer“, sagte sie. Sie weist darauf hin, dass dies bei der geglätteten Kurve wahrscheinlich nicht der Fall sein wird, sobald alle Daten vorliegen ebenso dramatisch abweichen als die monatlichen Durchschnittswerte, die die NOAA darstellt. Und basierend auf der Entwicklung des aktuellen ZyklusCarrasco stimmt zu, dass Zyklus 25 wahrscheinlich stärker ausfallen wird als die Prognose des Gremiums, aber immer noch schwächer als der Durchschnitt. „Die nächsten sechs Monate sind entscheidend, um zu sehen, wohin sich Solar Cycle 25 entwickelt“, sagte er.

Trotz dieser Unsicherheiten ist Leamon zuversichtlich, dass die Physiker kurz davor stehen, genaue Vorhersagen zu treffen. Bis 2030, wenn das nächste Gremium zusammentritt, „werden wir das viel besser im Griff haben“, sagte er. „Dies wird der letzte Zyklus sein, den wir nicht vollständig verstehen.“