Chromosph�re und Corona

							Chromosphäre
    und
   Corona
                   Name
Wenige Sekunden nach dem Anfang und wenige
 Sekunden vor dem Ende einer totalen
 Sonnenfinsternis zeigt sich am Rand der Sonne ein
 roter Ring, die Chromosphäre („farbige Sphäre“).
 Wenn wir in diesem Augenblick ein Spektrum
 aufnehmen, so erhalten wir das sogenannte Flash-
 Spektrum in dem wir viele Emissionslinien wie die
 Balmerlinien oder die CaIIH und K Linien erkennen.
                     
 Schön zu sehen ist, dass diese Regionen oberhalb
 der Photosphäre, aber unterhalb der Corona
 liegen. Die Chromosphäre lässt sich aber auch
 außerhalb von Sonnenfinsternissen mit Hilfe von
 schmalbandigen Filtern in Linien wie H 
 beobachten.
         Flash-Spektrum
Die Chromsphäre befindet sich etwa 400 bis
2000 km oberhalb der Photosphäre. Sie hat
  eine Temperatur von 4000 bis 24000 K.
Die magnetische Feldstärke nimmt mit einer Skalenhöhe von
1000 km ab. Im Gegensatz dazu beträgt die
Druckskalenhöhe nur etwa 100 km. Das bedeutet, dass die
Strukturen der Chromsphäre durch das Magnetfeld bestimmt
werden und nicht durch den Gasdruck. Die Dichte der
Chromsphäre beträgt zwischen 9 10-3 1.4 10-6 gcm-3 ,
verglichen mit 2.7 10-1 g cm-3 in der Photosphäre.
Wichtig: Die Geschwindigkeiten der Strömungen in der
Chromsphäre sind häufig so groß dass die Materie durch die
ganze Chromosphäre läuft, ohne ins Gleichgewicht zu
kommen.
  Die CaII H und K Linien

Starke Linien, wie etwa CaII, MgII, oder LyAlpha zeigen
   einen Emissionskern. Qualitativ kann dies auf folgende
   Weise erklärt werden: Stellen wir uns einmal vor, dass wir
   die Sonne durch einen durchstimmbaren Filter in einer
   starken Linie beobachten. Wenn wir den Filter vom Rand
   bis zum Kern verschieben, so beobachten wir höhere und
   höhere Schichten in der Atmosphäre.
                             
Solange die Temperatur nach außen fällt, wir die Linie tiefer.
Etwa 0.25 Å vom Linienzentrum entfernt erreichen wir einen
   Bereich in dem die Temperatur wieder ansteigt, somit
   kommt es zu einer Emissionskomponente.
In der Mitte der Linie tritt Selbstabsorption auf.Dies ist ein
   non-LTE Effekt.
Aufnahmen die in den Liniekernen der
 CaII H und K Linie gemacht werden
 zeigen im wesentlichen zwei Strukturen:
Plage Regionen erscheinen in
 Aufnahmen die im Linienkernen der
 CaII H oder K Linie gemacht wurden als
 hell. Die Plage Regionen der
 Chromosphäre entsprechen den aktiven
 Regionen der Photosphäre.
Chromosphärisches Netzwerk: Die
 Ränder der Supergranulationzellen.
Warum ist die Supergranulation auf
  den CaII H,K Aufnahmen zu sehen?
Flussröhren werden an die Ränder der Zellen
  gespült und heizen die darüber liegende
  Chromosphäre auf.
Beobachtungen mit dem Michelson Doppler
  Imager des SOHO Satteliten zeigen, dass
  das Magnetfeld der ruhigen Sonne statistisch
  alle 40 Stunden ausgetauscht wird.
Bilder bei unterschiedlichen
        Wellenlängen

Kontinuum: Photosphäre
CaII H,K : Thermometer der Chromosphäre
Halpha: Halpha entsteht über einen großen
  Höhenbereich und ist daher schwierig zu
  interpretieren. Halpha-Aufnahmen zeichnen im
                      

  wesentliche das Magnetfeld der Chromosphäre
  nach.
171 A Kontinuum: Die Emission zeigt ein
  Region mit einer Temperatur von etwa 100,000
  K. Dies ist die Übergangsregion zur Corona.
 Die CaII H und K Linien
   und das Magnetfeld
Eine sehr interessante Eigenschaft der CaII Linien ist
  die Tatsache, dass der Fluss im Linienkern (im
  wesentlichen) prortional zur magnetischen
  Feldstärke der darunter liegenden Photosphäre ist
  (Schrijver, Cote, Zwaan, Saar 1987). Dies gilt
  sowohl für Sterne (nächste Abb), als auch für
                      
  einzelnen Regionen auf der Sonne (übernächste
  Abb).
               Spikulen I
Auf Halpha-Aufnahmen der Sonne sind sogenante
  „Dark Mottels“ zu sehen. Beobachten wir die
  „Dark Mottels“ am Sonnenrand, so nennen wir
  sie „Spikulen“. Die Spikulen liegen wieder an den
  Rändern der Supergranulation. Sie verdanken
  ihrer Existenz einer lokalen Erhöhung der
  magnetischen Feldstärke. Obwohl die Dicke der
  Chromsphäre Allgemein mit 2000 km angegeben
                      

  wird, reichen die Spikulen bis zu 15000 km
  hinauf und Spikulen sind Chromosphärische
  Gebilde. Die Dicke der Spikulen beträgt etwa
  2000 km.
              Spikulen II
Während der Expansionsphase der Spikulen zeigt
  sich ein nach oben gerichtete Strömung mit einer
  Geschwindigkeit von etwa 30 km/s. Ebenso zeigt
  sich eine abwärtsgerichtete Strömung in der
  Kontraktionsphase.
Die Lebenserwartung der Spikulen beträgt etwa 10
  Minuten. Beobachtungen mit durchstimmbaren
                     
  Halpha Filtern zeigen, dass die
  chromosphärischen Spikulen mit den
  photosphärischen Flussröhren
  zusammenhängen. In der Umgebung von
  Sonnenflecken bilden die Spikulen dichte
  Büschel, die sogenante Superpenumbra.
   Die Übergangsregion
Die Schicht zwischen der Chromosphäre (T ≈ 104K)
  und der Corona (T>106K) heißt
  Übergangsregion. Wegen der inhomogenität der
  Chromosphäre ist die Übergangsregion keine
  Schicht bestimmter Höhe, sondern eine Schicht
  bestimmter Temperatur. Am „oberen“ Rand der
  Übergangsregion springt die Tempertur
  schlagartig auf coronale Werte. Da der Druck
                      

  proportional zu Dichte*Temperatur ist, fällt die
  Dichte schlagartig. Die Übergangsregion lässt
  sich in hochangeregten Linien und im UV-
  Kontinuum beobachten (TRACE Experminent).
Der magnetische Teppich
Das Michelson Doppler Imager Experiment auf dem SOHO
  Satteliten zeigte erstmalig den magnetischen Teppich. Der
  Teppich entsteht durch das fortwährende auftauchen von
  ganz kleiner bipolaren Magnetfeldregionen und ein
  magnetisches Netzwerk bilden. Die elementaren
  Flusselemente werden durch die Granulation hin und her
  geschuppst und strömen schließlich zu den Rändern der
  Supergranulation. Die Flusselemente verschwinden, wenn
                         
  zwei Elemente entgegengesetzter Polarität
  zusammenkommen. Das sich fortwährend verändernden
  Netzwerk der Sonne ist wahrscheinlich wichtig für die
  Heizung der Corona.
Flares




         
Zur Anzeige wird der QuickTime™
 Dekompressor „YUV420 codec“
             benötigt.
            Protuberanzen
Protuberanzen lassen sich schön als leuchtende Bögen in
  Halpha-Aufnahmen erkennen. Vor der Sonnenscheibe
  sehen sie auf Halpha-Aufnahmen dunkel aus und heißen
  dann Filamente.
Protuberanzen können Höhen bis zu 50000 km erreichen.
  Sie befinden sich also mitten in der Corona, gehören aber
  zur Chromosphäre, da sie eine Temperatur von nur 10000
  K haben. Protuberanzen leben bis zu einem Monat lang.
Wie ist es möglich, dass sich chromosphärisches
                         

  Material mitten in der Corona befindet?
         Wieso existieren
         Protuberanzen?
Im Jahre 1954 fanden Horace and Babcock heraus, dass
  Protuberanzen stets zwischen zwei Regionen
  entgegengesetzter Polarität liegen. Bei einer Temperatur
  von 106 K wie sie für die Corona typisch ist, ist die
  Wärmeleitung senkrecht zu den Feldlinien extrem
  schlecht. Die Protuberanzen sollten also an den Seiten
  sehr gut isoliert sein. Sie könnten aber entlang der
                           
  Feldlinien aus der Chrompshäre geheizt werden.
  Allerdings entstünde dann das Problem, dass der Druck in
  der Protuberanz kleiner sein sollte als in der Corona, da
  die Protuberanzen an sich über all die gleiche Temperatur
  haben und der Druck in einer Höhe von 30000 km viel
  kleiner ist, als am Fuß der Protuberanz.
Messungen zeigen aber, dass der Druck in der Corona und
   in der Protuberanz der gleiche ist. Dies ist nur möglich
   wenn die Protuberanz offen ist für Gas- und
   Wärmeströmungen aus der Corona.
Der Trick ist der folgende: Die Wärmeleitung funktioniert bei
   einer Temperatur von 106K prima, ist aber weniger gut bei
   einer Temperatur von 10000 K. Die Protuberanzen sind
   also nicht nur gut isoliert gegenüber der Corona, sondern
   auch gegenüber der Chrompsphäre.
Dazu kommt, dass Strahlungskühlung über Halpha-Emission
   besser für kühlere Regionen funktioniert, als für heissere
   und die Protuberanzensind kühl!
Die Kombination von guter thermischer Isolierung und guter
   Strahlungskühlung erhält also die Protuberanzen am
   Leben.
Entstehung der
Protuberanzen
 Eruptive Protuberanzen
Eruptive Protoberanzen entstehen, wenn sich die
  magnetische Feldlinien, die eine Protuberanz
  normalerweise zusammenhalten
  umkonfigurieren. Die Abbildung zeigt eine
  Aufnahme im Kontinuum bei 304 Å. Dies ist eine
  Region mit einer Temperatur von 60000 K. Eine
  eruptive Protuberanz ist auf der linken Seite zu
                     
  sehen.
                 Die Corona
Bei einer totalen Sonnenfinsternis bedeckt der Mond die
   Photosphäre und die Corona wird sichtbar. Im Gegensatz
   zur Chromosphäre war die Corona daher seit Urzeiten
   bekannt. Um was es sich handelt, wurde erst Mitte des
   20ten Jahrhunderts klar.
Die mittlere Dichte der Corona fällt von 1.7 10-16 gcm-3 bei
   1.1 Rsonne auf 2 10-20 gcm-3 bei 10 Rsonne ab
   (entsprechend 108 und 104 Teilchen cm-3). Die
   Temperatur beträgt >106 K.
                          
• F-Corona (Fraunhofer): Außerhalb von 2
 oder 3 Rsonne dominiert das Licht der F-Corona.
 Es handelt sich um Licht der Photosphäre, dass an
 Staubteilchen gestreut wird.
• K-Corona (Kontinuum): Auf den ersten
 Blick scheint die K-Corona nur ein kontinuierliches
 Spektrum zu haben. Das Licht der K-Corona ist
 stark polarisiert. Detaillierte Studien zeigen, dass
 die K-Corona durch die Streuung von Licht an sehr
 schnellen Elektronen entsteht. Das Spektrum zeigt
 daher extrem verbreitere Photosphärische Linien.
 Am Innenrand der Corona ist die K-Corona etwa
 10-mal so hell wie die F-Corona.
     Abnahme der mittleren
      Helligkeit der Corona
       (Baumbach 1957)

                                       
      I     6  0.0532  1.425  2.565 
         10 
     Io               2.5 R /R 7 R /R17 
               R /Ro         o       o 




• Emissionslinien: Etwa 100 coronale
  Emissionslinien sind bekannt. Die stärksten
  Linien sind die „grüne“ Linie der Corona bei
  5302.9 Å, die „gelbe“ Linie der Corona bei
  5694.5 Å und die „rote“ Linie bei 6374.5 Å.
  Zunächst wurden diese Linien einem neuen
  Element, dem „Coronium“ zugeschrieben, die
  Lösung wurde erst später gefunden...
 Die „Entdeckung“ der heißen Corona

       K-Corona ist Licht, das an schnellen
            Elektronen gestreut wird:
Im Jahre 1929 wurde vom AIP Potsdam ein Expedition zur
   Sonnenfinsternis auf Sumatra ausgerichtet. Ein Mitglied der
   Expedition war Walter Grotrian. Grotrian gewann dabei Spektren
   der Corona, die er flusskalibrieren konnte. Auf diese Weise konnte
   er die spektrale Energieverteilung der F und K-Corona messen. Er
   fand heraus, dass die Energieverteilung der K-Corona fast die
   gleiche ist, wie die der Photosphäre.
                              
Bei 3700 bis 4000 Å zeigte sich eine Beule. Genau an dieser Stelle
   gibt es sehr viele starke Absorptionsspektren im Spektrum der
   Photosphäre. Grotrian interpretierte das Ergebnis so, dass die K-
   Corona Licht der Photosphäre ist, das aber an schnellen
   Elektronen gestreut wird. Diese müssen sich etwa 10-mal schneller
   bewegen, als die Elektronen in der Photosphäre.
       Die Emissionslinien stammen von
         hochionisierten Ionen (1942):



Im Jahre 1942 fand Edlén die Lösung für das Linienproblem:
  Die Linien gehören zu hochionisierten Ionen: „grüne“-
  Linie: FeXIV, „gelbe“-Linie: CaXV, „rote“-Linie: FeX.

Bei der Identifikation half der Zufall in Form der Nova RR
  Pictoris und der Nova Herculs. Von Novae war bereits
                            
  bekannt, dass sie sehr heiss sind. Zunächst fanden Edlén
  und Grotrian heraus, dass coronale Linien auch in Novae
  zu sehen sind und schließlich gelang es Edlén die Linien
  im Labor zu erzeugen und damit zu identifizieren.
Die Corona strahlt im Röntgenbereich (1949):



Bereits 1949 zeigte Burnight dass die Sonne im
  Röntgenbereich strahlt. In den 60er Jahren wurde
  klar, dass die Röntgenstrahlung mit dem
  Fleckenzyklus variiert.

Weitere Meilensteine der solaren Rötgenastronomie
                      

 waren die Beobachtungen mit Skylab ab 1974 und die
 mit Yohkoh ab 1991.
    Die radiale Intensitäsverteilung (1950)



1950 zeigte van de Hulst, dass die Instensitätsverteilung in
  Abhängigkeit von der Höhe der K-Corona reproduziert
  werden kann, wenn man eine Temperatur von 1.2 bis 1.6
  106K und hydrostatisches Gleichgewicht annahm.

Somit war im Jahre 1950 klar, dass die Corona
  eine Temperatur von ≈106K hat und damit
                    

  stand die Frage im Raum, wie die Corona
  geheizt wird.
   Coronastrukturen mit
         Yohkoh
Horizontaker Strich: 43000 km.




                    
Die Heizung der Corona I
Wie die Corona geheizt wird, ist immer noch nicht
  vollständig geklärt. Eine ganze Reihe neuer
  Beobachtungen haben aber uns der Lösung des
  Problems näher gebracht.
Die Dichte der Corona ist sehr gering, die Masse
  ebenso. Es wird also wenig Energie benötigt, um
  die Corona zu heizen.
                       
Koronen haben nur Sterne, die eine äußere
  Konvektionszone haben.
Die Röntgenhelligkeiten der Coronen sind mit den
  Rotationsperioden der Sterne korreliert (Alpha-
  Omega Dynamo)
   Die Heizung der Corona II
Regionen der Corona, die über aktiven Regionen der
  Photosphäre liegen sind heißer (4 106K, statt 106K).




                          
TRACE Beobachtungen der Übergangsregion zeigen,
dass die Plasmabögen in Wirklichkeit aus sehr vielen,

sehr dünnen Bögen bestehen die unablässig flackern.
  Die Heizung der Corona III

Obwohl das Magnetfeld nur den 0.0001 Teil der im
 Inneren der Sonne erzeugten Energie nach
 außen transportiert, muss es bei der Heizung der
 Corona die entscheidenden Rolle spielen.
Wir wissen nur nicht, ob die Corona durch Wellen in
 magnetischen Elementen, oder durch „Nano“-
                      
 Flares geheizt wird.
Wo wird die Corona geheizt?
Beobachtungen mit SOHO (ab 1995) zeigen, dass
  die Heizung in etwa 12000 +/- 5000 km Höhe
  erfolgt, also in der unteren Corona. Das gilt auch
  für Bögen mit einer Höhe von 200 000 km.

TRACE-Beobachtungen zeigen weiterhin, dass
 das Plasma entlang der Bögen strömt und dabei
                       
 stets (fast) die gleiche Temperatur hat. Da sich
 das heiße Gas entlang der Bögen nur wenig
 abkühlen kann, kann die Heizung nur in etwa 15
 000 km Höhe erfolgen.
 Das Magnetfeld der Corona
Im Jahre 2000 gelang es mit dem 40cm
  Coronagraphen auf den Sacramento Peak
  erstmalig die magnetischen Feldstärke in der
  Corona zu messen (Haosheng Lin, Matthew
  Penn, Steven Tomczyk). Unter Verwendenung
  der FeXIII Linie bei 10747 Å wurde eine
  magnetische Feldstärke von 10 bzw. 33 Gauss
  bei 1.12 und 1.15 Rsonne gemessen.
                      
 Der elektrische Widerstand
Der elektrische Widerstand in den Bögen kann
  nicht Null sein, sonst würden die Bögen 10
  Millionen Jahre lang leben. Sie laben aber nur
  einige Tage.



                     
   Heizung durch Wellen
Schallwellen in der Photosphäre waren in den 70er Jahren
  zunächst die Hauptverdächtigen für die Heizung der
  Corona. Es zeigt sich aber das diese zwar wahrscheinlich
  für die Heizung der Chromosphäre wichtig sind, nicht aber
  für die der Corona.
Der Verdacht richtet sich nun auf MHD-Wellen. Bei diesen
  oszillieren die Feldlinien. Sie können Energie dissipieren,
  wenn der elektrische Widerstand nicht Null ist.
                           
Es gibt schnelle und langsame Alvénwellen. Die schnellen
  durchqueren einen Bogen in etwa 5 Sekunden (2000
  km/s), die langsamen brauchen dazu 30 Sekunden.
Bahnbrechende Entdeckung von TGRACE: ein Flare löste in
  einem benachbarten Bogen eine Schwingung aus, die
  sehr schnell gedämpft wurde. Aus der Dämpfung ergab
  sich ein unerwartet großer elektrischer Widerstand.
    Freisetzung der
  magnetischen Energie
Flares können die Corona heizen, wenn die Flare-
  Anzahl dN/dE ~E-alpha mit alpha>2 ansteigt. Da
  kleine Flares eine Temperatur von 106K haben,
  sind sie gute Kandidaten für die Heizung der
  Corona.
Bisherige Messungen ergeben keine klaren
                      
  Resultate. Für manche Sterne ergibt sich ein
  Wert von alpha>2, für andere nicht. CoRoT wird
  die Frage lösen.
           Eine Art Fazit
Die Wellenheizung gibt es sicher, kleine Flares
   sicher auch.
In coronalen Löchern spielt Flare-Heizung sicher
   keine Rolle, dort ist Wellenheizung sicher
   wichtiger.
In aktiven Regionen könnte sowohl Flare-Heizung
   als auch Wellenheizung eine Rolle spielen.
                        
Die Chromosphäre wird wahrscheinlich durch
   akustische Wellen in den Flussröhren geheizt.
Die Corona im Verlauf
     des Zyklus

        