Feinstrukturen der Chromosphäre: Mottles, Fibrillen, Spikulen

Die Chromosphäre zeigt im Licht der H-Alpha Linie eine Vielzahl an charakteristischen, kleinräumigen Gebilden die in verschiedener Form am Sonnenrand, Gebieten der ruhigen Sonne und in aktiven Gebieten (AR) auftreten. Diese "Mottels" (Flecken"), Fibrillen und Spikulen sind in der gegenwärtigen Sonnenforschung ein zentrales Thema der Forschung. Mit den heutigen großen Sonnenteleskopen kann eine hohe Zeit- und Raumauflösung der Magnetfeldstrukturen erreicht werden, um die bisher ungeklärten Vorgänge, die zum Aufheizen der Korona führen,  zu untersuchen.

Am Sonnerrand werden Spikulen wie ein dichter Wald von lanzenartigen Gebilden sichtbar. Spikulen sind dynamische Plamajets, die einserseits in einer Aufwärtsbewegung (mit ca. 30 km/sek) bis zu 10.000 km in die Korona vorstossen und andererseits nach 5 bis 10 Minuten zusammengefallen sind. Spikulen sind nur in einem schmalen Wellenlängenband zwischen +- 0,6 Angström der H-Alpha-Absorptionslinie zu sehen.

In der ruhigen, ungestörten Chromosphäre herrschen Mottles vor, fleckige, lanzenförmige Plasmajets, die wie die Rand-Spikulen in ständiger Bewegung sind, zum Teil rasch verschwinden und dem großräumigen chromosphärischen Netzwerk zugeordnet sind, es erst sichtbar werden lassen.  Dies Netzwerk der ruhigen Sonne ist verbunden mit der sogenannten „Supergranulation“, einem der kleinerräumigen Granulation (mittlerer Durchmesser 1100 km) der Photospäre überlagerten Konvektionsstruktur. Die  beobachteten zungen/lanzenrtigen "Plasmajets", die heute immer hochaufgelöster beobachtet werden können, haben in der langen Geschichte der Sonnenbeobachtung eine etwas verwirrende Vielfalt an Bezeichnungen erhalten. Insbesondere die als "Mottles" bezeichneten Jets, die das chromosphärische Netzwerk bilden, werden heute den Spikulen zugerechnet, also den am Sonnenrand aufschiessenden Plasmazungen. Die Spikulen der Sonnenscheibe bilden oft an Knotenpunkten des Netzwerks eine runde Anordnung, eine Rosette um einnen hellen Kernbereich aus.

Als Fibrillen werden die stabileren, langen fadenartigen Strukturen in den aktiven Regionen (AR) bezeichnet. "Dynamische Fibrillen" kennzeichnen die Gebiete der Plages, helle Gebiete in den AR, die eine körnige Musterung durch die mehr vertikal angeordneten Jets zeigen. Diese Fibrillen sind in stetiger, rascher Bewegung begriffen. 

Erst in den letzten Jahren wurden durch die neuen grossen Sonnenobservatorien, Big-Bear (Kalifornien), dem schwedischen Sonnentelekop auf La Palma (Kanarische Inseln) und dem japanischen HINODE Satellitenteleskop Plasmajets beobachtet, die den Spikulen ähneln, aber sehr viel kleiner sind. Sie werden als "Typ II Spikulen" bezeichnet. (Rouppe et al., 2009 Astrophysical Journal, 101,136, Pereria et al., 2016, ApJ, 824) Diese Spikulen erscheinen im Hα Licht in der "blauen Flanke", zeigen also eine Aufwärtsbewegung. Sie verschwinden, ohne eine Abwärtsbewegung auszuführen. Typ II Spikulen wurden bisher nur eingehend am Sonnenrand untersucht, die endgültige Identifizierung auf der Sonnenoberfläche steht noch aus. Man nimmt zur Zeit an, daß dieser Typ II die eigentliche Rolle beim Energietransport in die Korona spielt. Sie spielen wohl in der Dynamik der oberen Sonnenatmosphäre eine zentrale Rolle und sind eines der wichtigsten Beobachtungsziele bei den heutigen und geplanten Sonnenobservatorien. Zeitlich und räumlich hochaufgelöste Magnetfeldkartierungen und Spektroskopie an Spikulen und anderen kleinräumigen Strukturen werden erst heute mit den grossen erdgebundenen Sonnenteleskopen möglich. Das DKIST-Observatorium auf dem Haleakala/Maui/Hawaii ist 2020 in Betrieb gegangen. Es ist mit seinem 4 m Hauptspiegel in der Lage, noch Strukturen von ca. 20 km zu erkennen, und wird Magnetfeldmessungen in zeitlich/räumlich höchster Auflösung liefern. Das europäische European-Solar-Telescope (EST) mit 4,2 m Hauptspiegel ist noch vor der Bausphase und wird auf La Palma (Kanaren) errichtet werden.

Der Sonnenrand:

Ein Bild vom 2.4. 2016 mit dem "Spikulenwald" und einer ruhigen Protuberanz:

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Strukturen auf der Sonnenscheibe

Das "Stockwerk" unter der Chromosphäre. Ein Bild der Granulation der Photosphäre:

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Die Grundstruktur der ungestörten Chromospäre darüber zeigt dann die marmorierte, netzartige Anordnung von feinen, dunklen Gebilden, den Mottles, wie sie zunächst genannz wurden. Ein Bild vom 24.3.2011, mit dem chromosphärischen Netzwerk im Licht H-Alpha Linie. Nur am westlichen Rand stehen einige gestörte Gebiete:

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Strukturen in der ruhigen Chromosphäre

Heute hat auch der Amateur-Sonnenbeobachter die Möglichkeit mit kontrolliert abstimmbaren Hα Filtern die Chromosphäre in den Seitenbändern der Spektrallinie aufzunehmen. Der von mir benutzte SolarSpectrum Filter erlaubt eine Verstellung von bis zu  +/- 2 Å (0,2 nm) indie blaue oder rote Flanke. (Die Verstellung wird durch eine Temperaturänderung des "Filterofens" erreicht.) Gerade die Verstellung in die kurzwelligere, blaue Flanke zeigen manche Details der Spikulen des Netzwerks, die im Zentrum der Hα-Linie nur schwach erscheinen.

Es folgt ein Bild der ruhigen Chromosphäre mit einem nach - 2 Å extrem verstellten Filter. Die Strukturen des Netzwerks mit ihren Spikulen, sind nur ganz schwach noch zu erkennen, es taucht ein Abbild der der Photosphäre mit ihren Granulen auf. ). Auffällig sind zahlreiche helle Punkte, die rechts unten im Bild in einer Reihung auftreten, wahrscheinlich im Verlauf eines Netzwerkskamms. Neuere Untersuchungen dieser "Network-Bright-Points (NBP)" zeigen ihre Bedeutung für die Bildung und Dynamik der Netzwerkspikulen und den Energietransport von der Photo- in die Chromosphäre. In der Feinstruktur der Plages in AR treten ebenfalls flächig helle Punkte auf, deren Eigenschaften den NBP gleichen. Auch das Zentrum der Rossetten aus Spikulen besteht aus einer Anordnung von runden , hellen Punkten. Weiter unten werden Beispiele dafür gezeigt. Aufnahmen in der "blauen" Linienflanke bei -0,5 bis -1 Å zeigen vielfach deutlich NBP an der Basis von Spikulen, also wird deren Bildung wohl durch sie hervorgerufen und beeinflußt. Auch dazu einige Bilder weiter unten.

 Das Bild des ungestörten Bereichs bei - 2 Å in Randnähe, vom 20. 8. 2021:

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Noch ein Beispiel für eine Filterverstellung um -2 Å. Im Bild die AR 12869 am westlichen Sonnenrand, einigen Fackelgebieten. Zunächst in der Linienmitte:

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... dann um - 2 Å verschoben:

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Ein Bereich der ungestörten Chromosphäre mit einer Aufnahme in Linienmitte 6560 Å (oberes Bild) und 6560 - 0,6 Å (unteres Bild) vom 5. 9. 2021:

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Das Bild aus der blauen Flanke zeigt einige markante dunkle Spikulen rosettenartig angeordnet (Pfeile), die in der Linienmitte nicht sichtbar sind, ein Hinweis auf eine starke vertikale Aufwärtsbewegung (Dopplereffekt). Im Zentrum der Rosetten sind helle Punkte erkennbar. Diese Gebilde wurden bereits als  "Mikro-Aktive-Regionen" bezeichnet. Das Chr.Netzwerk ist auf auf dem unteren Bild besonders links an den verketteten Rosetten und Spikulenstrukturen mit ihren NBP schwach zu erkennen.

Noch ein Bild vom 20.8. 2021 mit einer Filterverstimmung auf - 1 Å:

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Wieder sind die runden Anordnungen von scharf aufragenden Spikulen mit ihren hellen Punkten an der Basis zahlreich vorhanden. Besonders rechts oben im Bild. Wie immer bei diesen Filterabstimmungen ist eine granulare Struktur im Inneren der Netzbereiche sichtbar, die wahrscheinlich mit der Granulation der Photosphäre zusammenhängt.  Neuere Untersuchungen an den kurzen Spikulen, die besondes in der blauen Hα-Flanke auffallen, könnten den RBE am Sonnenrand entsprechen. Mit den kleinen Teleskopen eines Amateurs können aber diese RBE auf der Sonnenscheibe nur andeutungsweise aufgelöst werden. Wie schon oben erwähnt, stehen diese dynamischen Gebilde im Fokus heutiger Forschung.

Hier noch ein Detailbild, das den Aufbau des Netzwerks deutlich macht. Rosetten und Büschel von Spikulen sind auszumachen , die das Netz bilden. Aufnahme vom 10.10. 2018.

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Fibrillen und Spikulen in der gestörten Chromosphäre

 Ein  Bild mit einem stabilen Filament (Protuberanz), und links daneben rosettenartige Gebilde, die von Spikulen begenzt werden. (27.6. 2018) Dieses Gebiet hatte sich nie zu einer aktiven Region mit Flecken entwickelt.

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Dazu die Übersichten in Hα und Magnetogramm. Man sieht hier ein grosses bipolares Störungsgebiet, aber keine Fleckenbildung. Die Spikulenanordnung wird durch die Magnetfeldstrukturen bestimmt.

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Hier noch einmal das Gebiet mit einem weiteren Gesichtsfeld. Im negativen (schwarz) Feldgebiet ist die Spikulenanordnung stark gestört. Weiter rechts erscheint das reguläre "Netzwerk" der ruhigen Sonne.

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 Ein Versuch, die grosse Dynamik der chromosphärischen Strukturen zu erfassen: Eine Bildsequenz von zwei aktiven Regionen am 16.10.2018, die die raschen Bewegungen an den typischen Strukturen der "Rosetten" zeigen. Die Lebensdauer einiger Spikulen, die die radial um ein helleres Zentrum angeordnet sind, scheint nur einige Minuten zu betragen.  Das Bildfeld zeigt leider wegen der ziemlich grossen Luftturbulenz am Vormittag einige Verzerrungen. Die Teilbilder wurden aus 120 Frames bei einer Bildrate von 15 /sek. gewonnen und die besten 10 zum Stapeln für das Teilbild benutzt. Zur Aufnahme  wurde die Skyris-Kamera benutzt.

Anim

 Hier ein weiteres Beispiel von komplexen Anordnungen von Spikulen im Gebiet einer grossräumigen Störung des solaren Magnetfeldes.Das SDO Magnetogramm zeigt im südlichen Bereich am 30.3. 2021 eine Störung ohne Fleckenbildung, mit weissen positiven und schwarzen negativen Feldrichtungen:

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Aus diesem Bereich dann ein Bild der Aufreihungen von Spikulen entlang von Magnetfeldstrukturen. Das Spikulennetzwerk der ruhigen Sonne ist massiv gestört:

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... und ein weiteres Beispiel für die typischen Strukturen in der AR12853 vom 14.8.2021. Dies Gebiet besaß keinen Fleck und hatte eine große bipolare Struktur. Das Seeing an diesem Tag war sehr gut, so daß die "körnige" Struktur der Plage gut aufgelöst wird. Die dunklen Punkte zeigen die "dynamische Fibrillen" mit ihrer vertikalen Orientierung

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