Modernes Großes Sonnenminimum wird zu terrestrischer Abkühlung führen

In diesem Leitartikel werde ich anhand des neu entdeckten Proxy-Magnetfelds der Sonnenaktivität zeigen, dass die Sonne in das moderne Große Sonnenminimum (2020-2053) eingetreten ist, das zu einer erheblichen Verringerung des solaren Magnetfelds und der Aktivität wie während des Maunder-Minimums führen wird, was zu einer spürbaren Verringerung der Temperatur auf der Erde führen wird.

Die Sonne ist die Hauptenergiequelle für alle Planeten des Sonnensystems. Diese Energie wird der Erde in Form von Sonnenstrahlung in verschiedenen Wellenlängen zugeführt, die als solare Gesamtbestrahlungsstärke bezeichnet wird. Schwankungen der solaren Bestrahlungsstärke führen zur Erwärmung der oberen Planetenatmosphäre und zu komplexen Prozessen des solaren Energietransports zur Planetenoberfläche.

Die Anzeichen der Sonnenaktivität sind in den zyklischen 11-Jahres-Schwankungen der Anzahl der Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche zu sehen, wobei die gemittelte monatliche Sonnenfleckenzahl als Indikator für die Sonnenaktivität der letzten 150 Jahre verwendet wird. Die Sonnenzyklen wurden durch die Wirkung des solaren Dynamomechanismus im Sonneninneren beschrieben, der magnetische Seile am Boden der solaren Konvektionszone erzeugt.

Diese magnetischen Seile wandern durch das Sonneninnere und erscheinen auf der Sonnenoberfläche oder Photosphäre als Sonnenflecken, die die Fußpunkte anzeigen, an denen diese magnetischen Seile in die Photosphäre eingebettet sind.

Das magnetische Feld der Sonnenflecken bildet ein toroidales Feld, während das solare Hintergrundmagnetfeld ein poloidales Feld bildet. Der Sonnendynamo wandelt das poloidale Feld zyklisch in ein toroidales um und erreicht sein Maximum bei einem Sonnenzyklusmaximum, während das toroidale Feld bei einem Sonnenminimum wieder zum poloidalen zurückkehrt. Es ist offensichtlich, dass für die gleiche führende Polarität des Magnetfeldes in Sonnenflecken auf derselben Hemisphäre die Länge des Sonnenzyklus auf 22 Jahre verlängert werden sollte.

Trotz des Verständnisses des allgemeinen Bildes eines Sonnenzyklus war es ziemlich schwierig, die beobachteten Sonnenfleckenzahlen mit den modellierten abzugleichen, es sei denn, der Zyklus ist weit fortgeschritten. Diese Schwierigkeit ist ein klarer Hinweis auf einige fehlende Punkte in der Definition der Sonnenaktivität durch die Sonnenfleckenzahl, die unsere Aufmerksamkeit auf die Erforschung des solaren (poloidalen) Hintergrundmagnetfelds (SBMF) lenkte.

Durch die Anwendung der Hauptkomponentenanalyse (PCA) auf die niedrig aufgelösten Magnetogramme der gesamten Sonnenscheibe, die in den Zyklen 21-23 vom Wilcox Solar Observatory aufgenommen wurden, entdeckten wir nicht nur eine, sondern zwei Hauptkomponenten dieses solaren Hintergrundmagnetfelds (siehe Abbildung 1, oberes Diagramm), die mit zwei magnetischen Wellen verbunden sind, die durch rote und blaue Linien gekennzeichnet sind. Die Autoren leiteten mathematische Formeln für diese beiden Wellen ab, indem sie die Hauptkomponenten aus den Daten der Zyklen 21-23 mit einer Reihe periodischer Funktionen anpassten und diese Formeln zur Vorhersage dieser Wellen für die Zyklen 24-26 verwendeten. Diese beiden Wellen werden in verschiedenen Schichten des Sonneninneren erzeugt und erreichen ähnliche, aber nicht gleiche Frequenzen. Die zusammenfassende Kurve dieser beiden magnetischen Wellen (Abbildung 1, untere Darstellung) zeigt die Interferenz dieser Wellen, die Maxima und Minima der Sonnenzyklen bilden.

Die zusammenfassende Kurve zweier magnetischer Wellen erklärt viele Merkmale der 11-Jahres-Zyklen, wie z.B. doppelte Maxima in einigen Zyklen oder Asymmetrie der Sonnenaktivität in den entgegengesetzten Hemisphären während verschiedener Zyklen. Zharkova et al. verknüpften die Modul-Summenkurve mit den gemittelten Sonnenfleckenzahlen für die Zyklen 21-23, wie in Abbildung 2 (oberes Diagramm) gezeigt, und erweiterten diese Kurve auf die Zyklen 24-26, wie in Abbildung 2 (unteres Diagramm) gezeigt. Es scheint, dass die Amplitude des zusammengefassten solaren Magnetfeldes, die in der zusammengefassten Kurve gezeigt wird, in den Zyklen 24-25 abnimmt und in Zyklus 26 fast Null wird.

Zharkova et al. schlugen vor, die Summenkurve als neuen Näherungswert für die Sonnenaktivität zu verwenden, der nicht nur die Amplitude eines Sonnenzyklus, sondern auch seine führende magnetische Polarität des solaren Magnetfelds nutzt.

Abbildung 3 zeigt die zusammenfassende Kurve, die mit den abgeleiteten mathematischen Formeln vorwärts für 1200 Jahre und rückwärts für 800 Jahre berechnet wurde. Diese Kurve zeigt das Auftreten von großen Sonnenzyklen von 350-400 Jahren, die durch die Interferenz von zwei magnetischen Wellen verursacht werden. Diese großen Zyklen werden durch die großen solaren Minima oder Perioden mit sehr geringer Sonnenaktivität unterbrochen. Das vorhergehende große Sonnenminimum war das Maunder-Minimum (1645-1710), das andere davor das Wolf-Minimum (1270-1350). Wie in Abbildung 3 aus der Vorhersage von Zharkova et al. ersichtlich, nähern sich in den nächsten 500 Jahren zwei moderne große solare Minima auf der Sonne: das moderne im 21. Jahrhundert (2020-2053) und das zweite im 24.

Die Beobachtungseigenschaften der beiden magnetischen Wellen und ihre Zusammenfassungskurve wurden durch doppelte Dynamowellen, die von dipolaren magnetischen Quellen in zwei Schichten des Sonneninneren erzeugt werden (innere und äußere Schichten), gut beschrieben, während die anderen drei Paare magnetischer Wellen von vierfachen, sechsfachen und achtfachen magnetischen Quellen erzeugt werden können, wobei die dipolare Quelle das sichtbare Erscheinungsbild der Sonnenaktivität an der Oberfläche bestimmt.

Gegenwärtig hat die Sonne den Sonnenzyklus 24 abgeschlossen – den schwächsten Zyklus der letzten 100+ Jahre – und beginnt 2020 den Zyklus 25. Während der Perioden geringer Sonnenaktivität, wie dem gegenwärtigen großen solaren Minimum, ist die Sonne oft frei von Sonnenflecken. Dies ist jetzt zu Beginn dieses Minimums zu beobachten, denn im Jahr 2020 hat die Sonne insgesamt 115 fleckenfreie Tage (oder 78 %) erlebt, was bedeutet, dass 2020 auf dem besten Weg ist, den Weltraumrekord von 281 fleckenfreien Tagen (oder 77 %) aus dem Jahr 2019 zu übertreffen. Der Beginn des Zyklus 25 ist jedoch immer noch langsam, wenn es darum geht, aktive Regionen und Flares zu zünden, so dass sich mit jedem zusätzlichen Tag/Woche/Monat, der vergeht, die Null der Sonnenaktivität verlängert, was den Beginn des großen solaren Minimums bedeutet. Was sind die Folgen dieses Rückgangs der Sonnenaktivität für die Erde?