315 Jahre wissenschaftliches Experiment

Wie das Zählen von Sonnenflecken die Vergangenheit und die Zukunft der Wissenschaft vereint

Der arroganteste Astronom der Schweiz Mitte des 20. Jahrhunderts war Max Waldmeier , Spezialist für Sonnenphysik. Nach seiner Pensionierung 1980 waren seine Kollegen so erleichtert, dass sie ihm beinahe die Initiative geschickt hätten, die er als Direktor des Zürcher Observatoriums leitete. Waldmeier war verantwortlich für die Praxis, die in der Zeit von Galileo verwurzelt war und eine der längsten wissenschaftlichen Praktiken in der Geschichte blieb: das Zählen von Flecken auf der Sonne.

Das Zürcher Observatorium war die Welthauptstadt für die Berechnung von Sonnenflecken: kalte dunkle Bereiche auf der Sonnenoberfläche, in denen die Zirkulation der inneren Wärme durch Magnetfelder unterdrückt wird. Seit dem 19. Jahrhundert haben Astronomen Sonnenflecken mit Sonneneruptionen in Verbindung gebracht , die den Lebensverlauf auf der Erde stören können. Heute wissen Wissenschaftler, dass Flecken Bereiche markieren, die kolossale elektromagnetische Felder erzeugen, die die Arbeit von allem stören können, vom globalen Positionierungssystem über elektrische Netzwerke bis hin zur chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre.

Was Waldmeiers potenzielle Anhänger abstieß, war seine Feindseligkeit gegenüber Methoden, die sich von seinen eigenen unterschieden. Im Weltraumzeitalter bestand er auf einer manuellen Methode zum Zählen von Flecken mit dem nach dem Erfinder des 18. Jahrhunderts benannten Fraunhofer-Refraktor , der 1849 vom ersten Direktor des Zürcher Observatoriums, Rudolf Wolf, gegründet wurde. Nachdem Waldmeier gegangen war, nahm sein Assistent ein Teleskop und installierte es, um die Unsicherheit in der Frage des Erbes auszunutzen Fraunhofer in seinem Garten. Die automatische Beobachtung und Verfolgung der Sonne von Satelliten aus war eine offensichtliche Verbesserung und weniger subjektiv als der verengte Blick einer Person.

Trotz aller Feindseligkeit gegenüber Valdmeier ist seine Methode erhalten geblieben. Spots erscheinen zyklisch. Ihre Zahl steigt seit etwa 11 Jahren stetig an, gefolgt von etwa 11 Jahren des Niedergangs. Valdmeier erkannte, dass die Interpretation aufgrund der inhärenten Langsamkeit des Zyklus nicht angepasst werden konnte. „Der Prozess kann nicht übertaktet werden“, sagt der Astronom Frederic Klett, Direktor des Solar Influence Data Analysis Center am Royal Observatory in Belgien. "Um die Sonne zu verstehen, ist es notwendig, Zyklen über lange Zeiträume aufzuzeichnen."

Und der beste Weg, um die Datenkontinuität aufrechtzuerhalten, erklärt Klett, ist die Verwendung einer Beobachtungsmethode, die die Vergangenheit mit der Zukunft verbindet. Im Gegensatz zu den meisten modernen Wissenschaftlern bleiben das menschliche Gehirn und Auge, um mit den technologischen Entwicklungen Schritt zu halten, das stabilste Gerät zur Erkennung von Sternveränderungen, die uns alles Leben geben.

"Moderne Technologie und Ausrüstung sind zu vielen Dingen fähig, aber diese Technologien existierten nur für wenige Sonnenzyklen hintereinander, sodass sie im Laufe der Jahrhunderte keine Änderungen der Zyklen zeigen", sagt Klett, der Verwalter des globalen Punktzählverfahrens, das Wolf in Zürich begonnen hat. wie Internationale Sonnenfleckennummer oder Wolfsnummer . Unter der Aufsicht von Klett werden Mängel weiterhin manuell gezählt. "Wenn wir sie mit den Augen zählen, können wir das, was wir heute sehen, mit dem verbinden, was wir in der fernen Vergangenheit gesehen haben."

Das ist eine erstaunliche Geschichte, sagt Clett. Eine der langlebigsten wissenschaftlichen Methoden ist die einfache Beobachtung. "Dies ist eine lange, systematische Entwicklung der Sammlung von Informationen, die zu einem Verständnis des Phänomens der Sonnenflecken geführt hat, und eine Kirsche auf dem Kuchen ist eine Gelegenheit, die Zukunft vorherzusagen."


Es funktioniert - berühren Sie es nicht: Der Fraunhofer-Refraktor, benannt nach seinem Erfinder des 18. Jahrhunderts, wurde von Spezialisten der Sonnenphysik verwendet, um Flecken für den größten Teil des 20. Jahrhunderts zu berechnen.

Spot-Beobachtungen begannen mindestens drei Jahrtausende früher als die moderne Astronomie. Da die Sonne das zentrale Objekt mehrerer alter Religionen war, wurden alle Flecken als bedeutendes Phänomen angesehen. Für die alten Afrikaner von den Ufern des Sambesi waren die Sonnenflecken der Schmutz, mit dem der eifersüchtige Mond das Gesicht der Sonne schlug. Die alten Chinesen betrachteten Flecken als Bausteine ​​eines fliegenden Palastes oder sogar als Pinselstriche, die den Charakter des Königs bestimmten. Virgil ging praktischer vor und warnte seine Georgier :

Wenn die Flecken beginnen, das goldene Feuer zu stören,
Alles - Sie werden sehen - dann kocht es gleichzeitig mit dem Wind
Und die Wolken

Galileo untersuchte die Spots wissenschaftlicher und betrachtete sie in seinen Studien über die Sonnenscheibe als nützliche Markierungen für die Kalibrierung. Aufgrund sorgfältiger Beobachtungen der täglichen Änderungen ihres Aussehens im Teleskop entschied er korrekt, dass die Sonne kugelförmig ist und sich um ihre Achse dreht, wodurch sich ändernde Defekte übertragen werden. Aber aus seiner Sicht waren die Flecken zufällig. Dies ließ viel Raum für Fantasie. Der Philosoph Rene Descartes glaubte, dass die Flecken Ozeane aus prähistorischem Schaum waren. Der Astronom William Herschel glaubte, dass dies Passagen in die dunkle Sonnenblumenwelt waren, in der Menschen unter der hellen Hülle des Sterns leben.

Es gab jedoch einen Amateurastronomen, der einfach genug Beobachtungen des Himmels und Aufzeichnungen von allem hatte, was er sah. Heinrich Schwabe , der als Apotheker arbeitete, begann 1826, die Sonne zu beobachten und war vierzig Jahre lang mehr als 300 Tage im Jahr damit beschäftigt. Zunächst suchte er nach unentdeckten Planeten in der Umlaufbahn des Merkur. Er fand nichts Bestimmtes und begann allmählich, die gefleckte Oberfläche der Sonne zu beobachten.

Bis 1844, nachdem er Zehntausende von Flecken gezählt hatte, war Schwabe überzeugt, dass die Fleckenbildung einen Zyklus hat: Die Anzahl der Flecken nahm alle 10 Jahre zu und ab. Er hatte keine Erklärung dafür, aber er entschied, dass andere aus seinen Beobachtungen etwas Nützliches lernen könnten, und veröffentlichte deshalb eine einseitige Notiz in der Zeitschrift Astronomische Nachrichten. Seine Arbeit wurde von Rudolf Wolf, dem 30-jährigen Direktor des Berner Observatoriums, gelesen. Als Wolf 1864 Direktor des Zürcher Observatoriums wurde, entschied er sich, den Sonnenfleckenzyklus als Forschungsthema zu wählen.

Wolf war erst im Laufe der Zeit mit den Berechnungen nicht zufrieden. Um die Existenz des Zyklus festzustellen und richtig zu messen, beschloss er vorsichtig, frühere Daten - beginnend mit Schwabe - zu sammeln und in seine eigenen täglichen Beobachtungen zu integrieren.

Das Problem war, dass die Zahlen nicht übereinstimmten. Die Zahl stimmte nicht überein, selbst wenn für einen Tag gerechnet wurde, der von 1849 bis 1868 bis zur letzten Schwabe-Berechnung tausende Male durchgeführt wurde. Das Fraunhofer-Teleskop war deutlich leistungsfähiger als das alte Schwabe-Instrument, und es zeigte sich, dass viele der Schwabe-Spots tatsächlich Cluster waren. Um dies auszugleichen, traf Wolf zwei wichtige Entscheidungen. Die erste besteht darin, Ihre eigenen Berechnungen zu überdenken - tatsächlich war die relative Aktivität der Spots wirklich wichtig. Die zweite Lösung bestand darin, die Beziehung zwischen der Anzahl der von ihm und Schwab gezählten Punkte herzustellen, als ihre Beobachtungen am selben Tag stattfanden. Er erhielt den Koeffizienten, nannte ihn k, und er war ein Faktor, der bis 1849 auf alte Schwabe-Beobachtungen angewendet werden konnte und diese statistisch mit neuen Wolf-Daten kombinierte.

Der Koeffizient ermöglichte etwas noch Interessanteres. Dank vieler gleichzeitiger Beobachtungen konnte Wolf die alten Schwabe-Daten verwenden, um die k-Koeffizienten für andere Wissenschaftler abzuleiten, und seine Daten zur Anzahl der Spots bis 1700 zuverlässig erweitern. Dann schuf Wolf ein ganzes Netzwerk von Spotzählern auf dem Kontinent, und ihre täglichen Zählungen von null bis ein paar hundert wurden zu einem der zuverlässigsten Datensätze in der Astronomie.

Die Daten zeigten, dass Schwabe mit dem Sonnenfleckenzyklus Recht hatte, aber nicht mit seiner Dauer. Zuerst erzählte Wolf diesen Zeitraum von 11 Jahren und entschied, dass er seinen Grund entdeckt hatte: Jupiter brauchte nur 11 Jahre, um die Sonne in ihrer Umlaufbahn zu umrunden. Je mehr Zyklen er sammelte, desto weniger zuverlässig sah diese Korrelation aus. Einige Zyklen dauerten 14 Jahre. Andere nach 9. Da sich die Umlaufzeit des Jupiter nicht änderte, musste der Wissenschaftler eine Niederlage eingestehen.

Er rechnete weiter in der Überzeugung, dass jemand mit genügend Daten in der Lage sein würde, den Mechanismus für das Auftreten von Sonnenflecken aufzudecken. Er glaubte bis zu seinem Tod 1893. Zu diesem Zeitpunkt zählte sein Assistent Alfred Wolfer 17 Jahre lang Plätze mit ihm. Ihr Koeffizient k sorgte für einen reibungslosen Übergang der Beobachtungen zu anderen Direktoren des Zürcher Observatoriums bis hin zum arroganten Valdmeier, der die evolutionäre Klassifikation von Flecken und die Methode zur Vorhersage geomagnetischer Stürme entwickelte, die die Solarwissenschaft ernsthaft voranbrachten.


Das atemberaubende Bild des Sonnenflecks zeigt den Ort an, an dem der Magnetismus die Bewegung der Wärme in der Sonne, die Sonnenkonvektion, unterdrückte. Sonnenflecken markieren Bereiche, aus denen kolossale Blitze ausbrechen, die sich auf das GPS und die elektrischen Netze der Erde auswirken.

Warum werden Perioden dunkler Flecken durch Perioden reiner Sonne ersetzt? "In Wahrheit wissen wir immer noch nicht genau, von welcher Frequenz es abhängt", gibt Klett zu. Selbst nach 315 Jahren Datenerfassung muss der Sonnenfleckenzyklusmechanismus noch vollständig beleuchtet werden.

Seit Schwabe wurden jedoch erhebliche Fortschritte erzielt, insbesondere im Bereich der Sonneneruptionseffekte. 1859 bemerkten zwei Amateurastronomen in Wolfs Beobachtungsnetzwerk zwei helle Blitze in einer Ansammlung von Flecken. In den folgenden Tagen wurde die Arbeit des Telegraphen unterbrochen und das Nordlicht in ganz Europa beobachtet. Mehrere solcher Episoden überzeugten Wissenschaftler von der Verbindung dieser Phänomene, deren Erklärung 1908 erfolgte, als der Astronom George Ellery Hale ein Spektroskop verwendete, um die magnetische Natur von Sonnenflecken zu bestimmen (Magnetismus beeinflusst das Farbspektrum ein wenig). Die dunklen Defekte der Sonne konnten endlich verstanden werden. Sie waren kein prähistorischer Schaum oder Zeichen einer Population der Sonne, sondern Bereiche, in denen der Magnetismus die Bewegung der Wärme in der Sonne unterdrückte, was als solare Konvektion bekannt ist.

Dank der Sonnenphysik wissen wir heute, dass Punktzyklen durch die Rotationsbewegung des Plasmas in der rotierenden Sonne gesteuert werden. Da das Plasma elektrisch geladen ist und sich die Plasmaschichten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen, verhält sich die Sonnenkugel wie ein Dynamo und erzeugt elektromagnetische Felder, die tausendmal stärker sind als der polare Magnetismus der Erde. Die Zirkulation des Plasmas, das den Solardynamo erzeugt, ist Supercomputern nachempfunden. Seit Jahrhunderten helfen gesammelte Daten zu Sonnenflecken Wissenschaftlern, diese Modelle zu verfeinern und zu validieren, indem sie Simulationen durchführen und beobachten, welche Modelle der unterschiedlichen Häufigkeit aufeinanderfolgender Zyklen am nächsten kommen. Je perfekter die Modelle werden, desto besser verstehen wir den Sonnenfleckenzyklus.

Die Notwendigkeit, Sonnenflecken zu berechnen, sei nur beim Übergang von Telegraphen zu Satelliten gestiegen, erklärt Klett. „Die Anzahl der Spots hilft dabei, einen Trend für die kommenden Monate und Jahre festzulegen, um die Häufigkeit und Stärke von Störungen vorherzusagen“, sagt er. Das Königliche Observatorium von Belgien erhält ständig Datenanfragen von Telekommunikations- und Energieunternehmen. Kommerzielle Fluggesellschaften sind auch von Sonnenfleckentrends abhängig, da Sonnenmagnetismus die Geschwindigkeit von Radiowellen in der Ionosphäre beeinflusst und GPS-Koordinaten verzerrt. Wenn sich das sonnige Wetter stürmisch nähert, lenken die Piloten ihre Aufmerksamkeit auf andere Navigationswerkzeuge.

Zwischen dem Leben der Erde und Sonnenflecken werden auch weniger bestätigte Korrelationen abgeleitet. Medizinische Forscher versuchen einen Zusammenhang zwischen Sonnenmagnetismus und Krebs zu finden. Ökonomen untersuchen die Beziehung zwischen Sonnenzyklen und Landwirtschaft. Klimatologen möchten wissen, ob kleine Eiszeiten durch „große Tiefs“ verursacht werden - wenn es fast keine Flecken auf der Sonne gibt - wie im 18. Jahrhundert. Die Gemälde dieser Zeit zeigen Menschen, die auf der Themse und in Venedig Schlittschuh laufen.

Fortschritte in der Klimatologie sind besonders interessant. Es ist bekannt, dass die Sonnenstrahlung die chemische Zusammensetzung der oberen Schichten der Atmosphäre verändert und Sonnenflecken die Intensität verschiedener Wellenlängen - von Infrarot bis Röntgen - modulieren, die unseren Planeten bombardieren. Durch die Verknüpfung der Anzahl der Flecken mit Veränderungen im Sonnenspektrum werden Klimatologen bald in der Lage sein, das Spektralbild der Sonne während des großen Minimums des 18. Jahrhunderts zu bestimmen.

Wolf hätte niemals an eine solche Anwendung von Daten gedacht - dies wird eine Lehre für andere Wölfe der Gegenwart und Zukunft sein: Die Lösung eines der wichtigsten Probleme der modernen Wissenschaft - des globalen Klimawandels - wird von den Daten abhängen, die lange vor ihrer Bekanntgabe gesammelt wurden. "Ich denke, dies ist die Essenz der wissenschaftlichen Forschung, bei der Sie ein neues Phänomen beobachten, das Sie nicht verstehen können", sagt Klett. - Es ist wie ein neues Territorium zu eröffnen. Sie wissen, dass Sie neues Wissen erhalten, auch wenn es nicht aus den von Ihnen erwarteten Richtungen stammt. “

Eine Erklärung des Sonnenfleckenzyklus wird die endgültige Bestätigung von Wolfs jahrhundertealten Schachzügen sein. Als Hausmeister in der Sonnenfleckenforschung freut sich Klett jedoch über einen weiteren Durchbruch: Er hat kürzlich einen Mann kontaktiert, der Wolfs Werkzeuge vom verräterischen Assistenten Waldmeier geerbt hatte. Beobachtungen mit dem alten Fraunhofer-Teleskop tragen erneut zur internationalen Berechnung von Sonnenflecken bei.

Delight Klett hat nichts mit der Stimmung zu tun, sondern weist nur auf die Hauptrolle von Wolf hin, die darin besteht, die Berechnung von Punkten in ein konsistentes Verfahren umzuwandeln. "Ich konnte den Koeffizienten k dieses Teleskops bestimmen", sagt er. - Es stimmt idealerweise mit dem überein, was Wolf im 19. Jahrhundert definiert hat - und wenn man bedenkt, dass heute nicht Wolf an der Berechnung beteiligt ist. Zufall k ist ein Zeichen dafür, dass sich das Gehirn-Auge-System in den letzten Jahrhunderten nicht verändert hat. “

Und wenn die letzten paar Jahrhunderte ein guter Indikator sind, dann werden einfache Beobachtungen für eine sehr lange Zeit von Wert sein. Die Sonnenfleckenzählung kann ein Modell für jede Forschung sein, die eine langfristige Datenerfassung erfordert - beispielsweise schwer fassbare Änderungen im Verhalten eines alten Sterns vor Tausenden von Jahren, bevor er zur Supernova wird. Im Vergleich zu einer Supernova-Studie, die zehn oder Hunderte von Generationen erfordert, scheint das Zählen von Sonnenflecken sehr schnell zu sein.

Ein solches Langzeitexperiment wird eine epische Herausforderung sein. Es wird von statistischer List abhängen, die Wolf würdig ist, und von hartnäckigem Traditionalismus, der Waldmayer würdig ist. Aber um das höchste Potenzial zu erreichen, braucht man eine so ruhige Denkweise wie die von Schwabe, der nicht genau wissen musste, was sie in seinen Daten finden würden - der Verdienst bestand auch darin, einfach das natürliche Phänomen zu beobachten.