Sonnenspektrum

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Die Sonne scheint. Es mutet selbstverständlich an, doch das Scheinen der Sonne ist die Grundlage dafür, dass auf dem Planeten Erde Leben möglich ist. Genauso grundlegend ist, dass die Erde von einer Gashülle, der Atmosphäre, umgeben wird, die bestimmte Einflüsse aus dem Weltraum vom Auftreffen auf die Erdoberfläche abhält.

Die Sonne ist eine Gaskugel, in deren Inneren eine Fusion von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen stattfindet. Bei diesem Prozess werden enorme Mengen an Energie frei, welche die Sonne als Strahlung nach außen abgibt. Doch was genau ist Strahlung? Der Begriff bezeichnet Energie, die sich als Welle oder als Teilchenstrom durch Raum und Materie ausbreitet. Jeder Körper gibt, abhängig von seiner Temperatur, Strahlung ab.

Der Begriff der Strahlung steht eng mit dem des Lichts in Zusammenhang. Unter Licht wird ein Strom von Lichtquanten, den Photonen, verstanden. Um die Entstehung dieser Photonen zu erklären, muss bis in atomare Strukturen vorgedrungen werden. Photonen werden freigesetzt, wenn Elektronen eines Atoms auf eine niedrigere Umlaufbahn um den Kern wechseln. Sie können sich sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen verhalten.

Damit kommt auch noch der für die Beschreibung der Sonnenstrahlung wichtige Begriff der Welle ins Spiel. Das für Menschen sichtbare Licht ist Teil des elektromagnetischen Spektrums. Eine elektromagnetische Welle umfasst sich allseitig ausbreitende, periodisch ändernde magnetische und elektrische Felder. Wie weit sich dieses Feld im Raum ausdehnt, wird mit der Wellenlänge beschrieben. Unsere Augen können elektromagnetische Wellen mit bestimmten Wellenlängen erfassen, zu beiden Seiten der Bereichsgrenzen existieren aber gleich geartete Wellen mit anderen Wellenlängen und anderem Energiereichtum, die auch als Form der Strahlung verstanden werden können.

Die Sonne ist kein einheitlicher Strahlungskörper, sondern besteht aus verschiedenen Schichten, die unterschiedliche Temperaturen und stoffliche Zusammensetzungen haben und dadurch andere Arten von Strahlung abgeben, die sich überlagern. Das Spektrum der Sonne reicht von Gammastrahlen mit einer Wellenlänge von weniger als 0,1 Nanometern bis zu Radiowellen mit Wellenlängen im Kilometerbereich und deckt damit alle bisher bekannten Arten elektromagnetischer Wellen ab.

Die Fotosphäre ist die innerste Schicht der Sonne, die noch einer Beobachtung zugänglich ist. Sie ist im Vergleich zum Gesamtdurchmesser sehr klein, aber für etwa 90% der Gesamtstrahlung der Entstehungsort. Aus dieser Schicht wird vorrangig ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung ausgesendet. Die äußerste Schicht, die Korona, besteht aus ionisiertem Gas. In diesem Bereich entstehen durch extreme Temperaturen sehr langwellige und sehr kurzwellige Strahlung, also Gamma-, Röntgen- und Radiostrahlung.

Eine Besonderheit ist die kosmische Teilchenstrahlung, die durch Veränderungen im Gravitationsfeld der Sonne zustande kommt: Protonen, Elektronen und Heliumkerne werden durch starke Energiezufuhr in der Korona aus dem Magnetfeld in den Weltraum geschleudert. Dieser Strom geladener Teilchen, auch Sonnenwind genannt, wird vom Erdmagnetfeld am Auftreffen auf die Erdoberfläche gehindert. An den Polen, wo die Erdmagnetfeldlinien sich annähern, kann es jedoch dazu kommen, dass Sonnenwindteilchen bis auf eine Höhe von etwa 80 Kilometern über der Erdoberfläche vordringen und dort Sauerstoff- und Stickstoffatome ionisieren. Wenn die Elektronen nach dem Wechsel auf ein höheres Orbital wieder zurückfallen, wird Licht ausgesendet. Dieser Erscheinung ist am Nachthimmel als Polarlicht beobachtbar.

Je energiereicher eine Strahlung ist, umso stärker kann sie Materie, also auch die Teilchenstrukturen von Stoffen, aus denen Lebewesen bestehen, verändern. Deshalb sind die kosmische Teilchenstrahlung, Gamma-, Röntgen- und der Teil der ultravioletten Strahlung für Lebewesen auf der Erde gefährlich. Es ist ein überlebenssichernder Fakt, dass Gamma- und Röntgenstrahlung der Sonne am oberen Rand der Mesosphäre reflektiert werden. Genauso werden schon dort ganz langwellige Radiostrahlen reflektiert. Verschiedene Stoffe, die in den atmosphärischen Schichten vorliegen, vermögen Strahlung zu absorbieren. So wird ferne ultraviolette Strahlung am oberen Rand der Stratosphäre von Ozonmolekülen absorbiert, sofern die Konzentration des Ozons hoch genug ist.

Das sichtbare Licht, das von den Rezeptoren des menschlichen Auges wahrgenommen werden kann, erreicht fast uneingeschränkt die Erdoberfläche, wird jedoch beim Durchdringen der Atmosphäre an Wassertröpfchen oder Partikeln in der Luft gestreut, sodass wir die Farbanteile des eigentlich weißen Lichts als verschiedene Farben wahrnehmen. Das Maximum der von der Sonne ausgesandten Strahlung liegt im Bereich des sichtbaren Lichts zwischen gelb und grün. Die Rezeptoren der menschlichen Augen sind besonders für diese Wellenlängen sehr empfindlich. Von Infrarotstrahlung, die Menschen taktil als Wärmestrahlung wahrnehmen können, wird ein Teil wird in der Strato- und Troposphäre von Wasserdampf, Sauerstoff, Stickoxiden und Ozon absorbiert, der Rest dringt zur Erdoberfläche vor. Für die Radiostrahlung mit noch kleinerer Wellenlänge, die Mikrowellen, ist die Atmosphäre komplett durchlässig.

Die Wellenlängenbereiche, in denen Wellen ungehindert die Atmosphäre durchdringen können, sind die sogenannten atmosphärischen Fenster. Ihrer Position ist es zu verdanken, dass ein bestimmter Anteil der Sonnenstrahlung, der das Leben befördert, die Erde erreicht, nämlich in Form von Energiezufuhr ohne Veränderung der Teilchenstruktur.

Das Scheinen der Sonne und dessen Wirkung auf die Lebewesen der Erde sind vielschichtige, trotz aller Forschungserkenntnisse noch nicht gänzlich begreif- und begründbare Prozesse, die grundlegend mit unserer Existenz verbunden sind.

Sophia Wulff-Woesten

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Quellen:

Arcand, Kimberly/Watzke, Megan (2016): Licht. Mehr als wir sehen. Fackelträger.
Bundesamt für Strahlenschutz: http://www.bfs.de/DE/themen/opt/uv/sonne/einfuehrung/einfuehrung_node.html, 21.06.2017
Feuerbacher, Berndt/Messerschmid, Ernst (2007): Vom All in den Alltag.
Der Weltraum – Labor und Marktplatz. Motorbuch.
Max-Planck-Institut für Radioastronomie:
https://www.mpifr-bonn.mpg.de/601858/frequenzen, 21.06.2017
Spektrum Lexikon der Physik:
http://www.spektrum.de/lexikon/physik/sonnenspektrum/13460, http://www.spektrum.de/lexikon/physik/sonnenwind/13470, http://www.spektrum.de/lexikon/physik/korona/8376, http://www.spektrum.de/lexikon/physik/photosphaere/11225, 21.06.2017

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