Fackeln, Flecken, Flares

Mehr als ein Jahrhundert lang beobachteten Forscher der ETH-Sternwarte die Sonne. Ihr Interesse galt vor allem den rätselhaften Sonnenflecken. Erschaffen haben sie dabei eine Datenreihe, die heute von unschätzbarem Wert ist, unter anderem für die Klimaforschung.

Die Sonne löst bei uns Menschen positive Gefühle aus. Zuverlässig spendet sie Licht und Wärme, ohne sie wäre kein Leben auf der Erde möglich. Doch die Sonne hat auch ihre launischen und gefährlichen Seiten. Ihr Kern besteht aus 15 Millionen Grad heisser Materie. Und an ihrer Oberfläche – immerhin auch noch rund 5’500 Grad heiss – treten gewaltige Eruptionen auf, durch die energiegeladene Teilchen weit ins All hinausgeschossen werden. Manchmal erreichen diese auch die Erde, was eine Gefahr für die Infrastruktur darstellt. Die sogenannten Sonnenstürme können Satelliten beschädigen, Kommunikationssysteme zusammenbrechen lassen und Stromnetze lahmlegen – wie beispielsweise im Jahr 1989 in Ostkanada, als der Strom für neun Stunden ausfiel und Schäden in Millionenhöhe entstanden. Zwar existieren bereits Frühwarnsysteme für Sonnenstürme, die auf Messungen im Weltraum beruhen, etwa mit dem amerikanischen DISCOVR 1 -Satelliten. Doch diese erreichen nur eine Vorwarnzeit von höchstens einer Stunde. «Länger im Voraus wissen wir nicht, wann der nächste grosse Sturm auftreten wird», sagt Werner Schmutz, Professor am Departement Physik der ETH Zürich und ehemaliger Direktor des Physikalisch-Meteorologischen Observatoriums Davos. Denn nach dem heutigen Stand der Wissenschaft ist es nicht möglich, Zeitpunkt und Ort von grossen Sonneneruptionen – den sogenannten Flares – genau vorherzusagen. Dennoch ist man ihnen nicht hilflos ausgeliefert: «Wir wissen, wann die Wahrscheinlichkeit dafür am grössten ist», beruhigt Schmutz. Denn die Sonne folgt einem bestimmten Zyklus: Ihre Aktivität erreicht alle elf Jahre ein Maximum, in dem deutlich häufiger grosse Eruptionen auftreten. Derzeit, im Jahre 2019, befindet sich die Sonne jedoch in einem Minimum, sodass die Gefahr für die Erde gering ist.

Dass der Aktivitätszyklus der Sonne heute genau erforscht ist, geht auch auf die Sonnenbeobachtungen an der ETH Zürich zurück. Mehr als 100 Jahre lang – zwischen 1864 und 1980 – erforschten und dokumentierten die Direktoren der Eidgenössischen Sternwarte die Vorgänge auf der Sonne. Im Zentrum standen dunkle Stellen auf der Sonnenoberfläche – die Sonnenflecken. Ihre Anzahl ist ein einfaches und zuverlässiges Mass für die Sonnenaktivität. Durch tägliche Beobachtung der Flecken und die zusätzliche Auswertung historischer Aufzeichnungen entstand eine Messreihe, welche die Sonnenaktivität der letzten 400 Jahre dokumentiert.

«Die Statistik der Sonnenflecken ist von grossem Wert für die Forschung», sagt Schmutz. Zum einen hilft sie, die Vorgänge im Innern unseres Fixsterns besser zu verstehen. Zum anderen ist sie eine wichtige Grundlage für die Klimaforschung. Denn mit der schwankenden Aktivität der Sonne verändert sich auch die Intensität ihrer Strahlung. Obwohl die Unterschiede relativ gering sind, können sie das Klima der Erde beeinflussen. Um die Gesamtstrahlung der Sonne exakt zu ermitteln, werden heute moderne Messgeräte eingesetzt, zum Beispiel sogenannte Radiometer. Den Referenzwert 2 für die weltweiten Messungen liefert dabei das Weltstrahlungszentrum, das sich am Observatorium in Davos befindet und das Werner Schmutz bis Mai 2019 geleitet hat. Direkte Messungen der solaren Einstrahlung finden erst seit etwa 40 Jahren statt. Um den Einfluss auf das vergangene Klima zu rekonstruieren und Modellrechnungen für die Zukunft zu machen, werden jedoch längere Datenreihen benötigt. Hier liefert die Fleckenstatistik wertvolle Informationen. Aufschlussreich sind vor allem die Extreme: Zum Beispiel wurden während der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts über mehrere Sonnenzyklen hinweg fast keine Flecken beobachtet. «Die Sonne war damals ungewöhnlich inaktiv», fügt Schmutz hinzu. Gleichzeitig kam es zur sogenannten kleinen Eiszeit, in der das Klima auf der Erde deutlich abkühlte. Hingegen stieg die Aktivität in den 1950er Jahren auf ein Hoch. Seither sinkt sie wieder kontinuierlich, was einen kühlenden Einfluss aufs Erdklima haben könnte. Nach Berechnungen von Schmutz und seinen Kolleginnen und Kollegen würde dieser jedoch höchstens 0,5 Grad Celsius betragen – nicht genug, um die menschgemachte Klimaerwärmung aufzuhalten. «Die Sonne wird uns nicht retten», ist Schmutz deshalb überzeugt.

Dass ein Vergleich der Sonnenaktivität über die letzten Jahrhunderte möglich ist, ist Rudolf Wolf zu verdanken. Er gilt als Pionier der Sonnenfleckenforschung und wurde im Jahr 1855 zum ersten Professor für Astronomie am damaligen Polytechnikum ernannt. Bereits in seiner Zeit als Astronomieprofessor in Bern war er fasziniert von den seltsamen Flecken, über die damals noch wenig bekannt war. Zwar hatte der deutsche Astronom Heinrich Samuel Schwabe schon 1843 entdeckt, dass die Zahl der Flecken ungefähr alle 10 Jahre ein Maximum erreicht. Doch die genaue Dauer des Zyklus konnte er nicht bestimmen, da der Zeitraum seiner Beobachtungen zu kurz war. Dies gelang hingegen Wolf, indem er zusätzlich zu eigenen Beobachtungen auch historische Nachforschungen anstellte. Er durchforstete Bibliotheken in ganz Europa und trug Aufzeichnungen zusammen, die auf die Astronomen Johann Fabricius, Christoph Scheiner und Galileo Galilei in die Jahre 1610 und 1611 zurückgingen – sie beschrieben die Flecken als erste. Durch den langen Untersuchungszeitraum gelang es Wolf, die durchschnittliche Dauer des Aktivitätszyklus’ genauer zu bestimmen und auf 11,1 3 Jahre zu korrigieren.

Wolf begann auch, die Sonnenflecken täglich zu zählen und entwickelte dazu eine eigene Zählweise. Die sogenannte Wolf’sche Relativzahl 4 wird heute noch auf dieselbe Art ermittelt und gilt als internationaler Standard. Ab 1864 führte Wolf seine Sonnenbeobachtungen von der Eidgenössischen Sternwarte aus durch, deren erster Direktor er wurde und die der berühmte Architekt Gottfried Semper nach Wolfs Vorgaben gebaut hatte. Neben seinen astronomischen Arbeiten leitete Wolf auch die meteorologische Zentralanstalt, die ebenfalls in der Sternwarte untergebracht war. Zudem wurde er 1855 erster Direktor der ETH-Bibliothek. Er sammelte, übernahm und beschaffte astronomische Werke, unter anderem von Galilei, Kopernikus und Hevelius, die heute zu den wertvollsten Altbeständen der ETH-Bibliothek (u.a. der Sammlung Wissenschaftliche Instrumente und Lehrmittel 5 ) zählen.

Seine grosse Leidenschaft war aber zeitlebens die Sonnenforschung. Dasselbe Fernrohr, mit dem Wolf arbeitete, nutzten auch seine Nachfolger, was eine grosse Homogenität der Beobachtungen gewährleistete. 6 Alfred Wolfer, der zunächst Assistent bei Wolf und ab 1894 selbst Direktor der Sternwarte war, notierte anfänglich täglich die Zahl beobachteter Sonnenflecken und ging später dazu über, zusätzlich deren exakte Position auf Zeichnungen festzuhalten. Hierzu projizierte er mit dem Fernrohr das Abbild der Sonne auf ein Blatt Papier und trug alle sichtbaren Flecken sowie die heller erscheinenden Fackeln ein. So konnte er ihre Position und Grösse bestimmen und die Veränderungen im Verlauf eines Zyklus’ mitverfolgen. Während mehr als 100 Jahren entstanden an der Sternwarte in Zürich und später am Sonnenobservatorium Specola Solare im Tessin Projektionszeichnungen auf fast 30’000 Blättern, die sich heute im Besitz der ETH-Bibliothek befinden und digital abrufbar sind. 7

Neben den Sonnenflecken untersuchte Alfred Wolfer die sogenannten Protuberanzen 8 , riesige Gasbögen, die oft in der Nähe von Sonnenflecken auftreten und von der Sonnenoberfläche aus weit ins All hinausragen. Durch ihre präzisen und konstanten Beobachtungen erlangte die Sternwarte internationalen Ruf. Unter William Otto Brunner, der von 1926 bis 1945 Direktor war, wurde sie von der internationalen astronomischen Union zum Weltzentrum für die Sonnenfleckenzählung bestimmt. Die täglich herausgegebene Sonnenfleckenzahl diente als Referenz für die weltweite Forschergemeinde.

Max Waldmeier, der vierte und letzte Direktor der Eidgenössischen Sternwarte, konzentrierte sich zusätzlich auf die Erforschung der Korona 9 , die äussere Atmosphäre der Sonne. Diese ist mit etwa einer Million Grad Celsius viel heisser als die eigentliche Sonnenoberfläche. Von ihr gehen auch die Eruptionen aus, welche die Sonnenstürme verursachen. Viele Rätsel um die Korona sind bis heute ungelöst. Ändern soll sich dies durch eine im August 2018 gestartete Mission der NASA: Die Raumsonde „Parker Solar Probe“ 10 ist derzeit auf ihrer dritten Umrundung der Sonne und kommt dabei unserem Fixstern so nah wie nie eine Raumsonde zuvor. Solche Möglichkeiten hatte Max Waldmeier damals natürlich nicht. Für seine Beobachtungen von der Erde aus nutzte er jedoch den Umstand, dass die Korona bei einer totalen Sonnenfinsternis als Strahlenkranz sichtbar ist. Waldmeier führte zwischen 1952 und 1980 etwa zwanzig Sonnenfinsternis-Expeditionen 11 durch, die ihn unter anderem in den Sudan, nach Sri Lanka oder Peru führten. Auf seine Initiative hin wurde das Astrophysikalische Observatorium in Arosa 12 gebaut, von wo Korona-Beobachtungen mit einem speziellen Gerät durchgeführt wurden. Zudem gründete er 1957 eine Beobachtungsstation im Tessin, die heutige von einem Verein 13 geführte Specola Solare Ticinese in Locarno-Monti. Dies mit dem Ziel, Sonnenfleckenbeobachtungen auch an Tagen durchführen zu können, an denen das Wetter in Zürich zu schlecht war. Dort diente ab 1951 der direkt neben der Sternwarte errichtete Sonnenturm der Erforschung der Sonne.

Mit der Pensionierung von Waldmeier endete 1980 die Sonnenfleckenforschung an der ETH Zürich. Die Zählung der Flecken übernahm die Königliche Sternwarte in Brüssel mit dem Weltdatenzentrum Sunspot Index and Long-term Solar Observations (SILSO) 14 . Sie gibt seit 1981 täglich die Internationale Sonnenfleckenzahl 15 bekannt, die aus Beobachtungen von etwa 100 Stationen weltweit ermittelt wird. Zu diesen zählt auch die Station in Locarno, das Istituto Ricerche Solari Locarno (IRSOL), das zudem als Referenzstation fungiert, mit der alle anderen Werte abgeglichen werden. Da die dortigen Beobachter die Sonnenfleckenzahl nach wie vor auf dieselbe Weise ermitteln wie bereits Sternwarten-Direktor Waldmeier, ist eine grosse Kontinuität der Zählung gewährleistet. Darüber hinaus werden in Locarno auch täglich von Hand Sonnenfleckenzeichnungen angefertigt.

Derzeit sind das Hochschularchiv der ETH Zürich 16 und das DigiCenter der ETH-Bibliothek für die Specola Solare Ticinese daran, die seit 1980 entstandenen Sonnenflecken-Datenreihen zu digitalisieren 17 und auf e-manuscripta.ch 18 zur Verfügung zu stellen. Das aufwändige Projekt dauert fünf Jahre und wird von MeteoSchweiz im Rahmen des Global Climate Observing System (GCOS) finanziell unterstützt – ein weiterer Beleg für die Bedeutung der Sonnenfleckendaten für die Klimaforschung.

Ein Nachteil der Sonnenfleckenstatistik ist jedoch, dass das Ergebnis einer Zählung je nach Beobachter, Instrument und Zählmethode stark variieren kann. Deshalb führte bereits Rudolf Wolf einen Korrekturfaktor für jeden Beobachter ein. Dennoch entstanden Verzerrungen, auch bei Wolf selbst: Zum Beispiel wurden seine Augen mit dem Alter schlechter und ihm entgingen kleinere Flecken, die andere Beobachter noch sahen. Ein anderes Problem ist, dass bei historischen Daten aus dem 17. oder 18. Jahrhundert oft nicht bekannt ist, welches Instrument und welche Zählmethode verwendet wurde. «Das führt zu Fehlern in der Statistik», sagt Frédéric Clette, der das Datenzentrum SILSO zur Bestimmung der internationalen Sonnenfleckenzahl an der königlichen Sternwarte Brüssel leitet. Um die Statistik zu bereinigen, hat Clette vor einigen Jahren eine Arbeitsgruppe ins Leben gerufen. Um nachvollziehen zu können, wie die jeweilige Fleckenzahl ermittelt wurde, benötigen die Forschenden detaillierte Aufzeichnungen und Rohdaten. Doch diese fehlen häufig. So galt zum Beispiel ein Teil der Tabellen der Eidgenössischen Sternwarte seit deren Schliessung als verschollen. Dank der Zusammenarbeit zwischen Forschenden und Archivmitarbeitenden wurden sie erst vor kurzem lokalisiert und identifiziert. «Das ist für uns ein Jahrhundertfund», freut sich Clette. Die wiederentdeckten handschriftlichen Aufzeichnungen befinden sich heute ebenfalls im Hochschularchiv der ETH Zürich. Derzeit ist die ETH-Bibliothek daran, sie neben den Sonnenfleckenzeichnungen zu digitalisieren und so für die Forschung online zugänglich zu machen.

Die ETH Zürich selbst erforscht heute neue Aspekte der Sonne, etwa die Frage, wie sich ihre Energie nachhaltig nutzen lässt. Einen ungewöhnlichen Ansatz verfolgt dabei Aldo Steinfeld, Professor für Erneuerbare Energieträger. Ihm und seiner Gruppe gelang es 2019, Treibstoff nur aus Luft und Sonnenlicht herzustellen 19 . Die dafür nötige Reaktion läuft in einem Solarreaktor ab, der mit Hilfe von Spiegeln, die das Sonnenlicht auf einen Punkt fokussieren, auf 1500 Grad Celsius aufgeheizt wird. Es entsteht ein sogenanntes Synthesegas, das anschliessend zu flüssigem Treibstoff verarbeitet werden kann, beispielsweise Kerosin. Der Vorteil: Es ist CO2-neutral und schont so das Klima.

Doch auch die Prozesse auf der Sonne selbst werden weiter erforscht. Dazu trägt Louise Harra bei, die seit Juni 2019 Professorin für Solare Astrophysik an der ETH Zürich und zugleich neue Direktorin des Weltstrahlungszentrums und des Physikalisch-Meteorologischen Observatoriums in Davos ist 20 . Sie erforscht die Auslösung von Sonneneruptionen und die Entstehung des Sonnenwindes. Zudem ist sie Co-Forschungsleiterin bei der Entwicklung des EUV Imagers, eines Messgeräts, das hochauflösende Bilder der Sonnenatmosphäre liefern soll. Es wird 2020 an Bord der Raumsonde Solar Orbiter der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA ins All starten. Die Beispiele zeigen: Auch wenn an der ETH Zürich heute keine Flecken mehr gezählt werden, so bleibt die Sonne doch weiterhin im Fokus.