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Die Astronomie-Seiten von Mario Weigand

Sonnenbeobachtung im Licht der Kalzium-Linien

Neben der typischen Weißlichtbeobachtung der Sonne und der Beobachtung im H-Alpha-Licht hat der Amateur auch die Möglichkeit, die Sonne im Licht der Kalzium-Linien zu beobachten. Dabei wird ein unterer Bereich der Chromosphäre, knapp über der Photosphäre sichtbar, in der man Fackelgebiete über die gesamte Sonne verteilt beobachten kann.

Die Kalzium-Linien
Ausschnitt aus dem Sonnenspektrum, Bild von der Baader-Homepage.

Die beiden betrachteten Emissionslinien von Ca II, dem einfach ionisierten Kalzium liegen bei 397 nm (H-Linie) und 393 nm (K-Linie) Wellenlänge. Rechts ist der Ausschnitt eines Spektrums zu sehen, wobei links davon der visuelle Spektralbereich und rechts der UV-Bereich liegt.

Zur Linien-Bezeichung: Joseph Fraunhofer hat 1814 erstmals die solaren Spektrallinien beobachtet und die deutlichsten unter ihnen mit Großbuchstaben durchnummeriert. Die Nummerierung fängt im roten Teil des Spektrums an und endet im Blauen. Die Bezeichnungen sind teilweise heute noch geläufig.

Einstieg in die Kalzium-Beobachtung

Plages umgeben zwei kleine Flecken (Baader K-Line-Filter).
Inzwischen ist es dem Amateur möglich mit einem relativ geringen finanziellen Aufwand in die Kalzium-Beobachtung einzusteigen. Mit dem Baader K-Line-Filter erhält man bereits für wenige Hundert Euro einen breitbandigen (~40 nm) Filter, mit dem bereits viel sichtbar wird. Achtung: Der Filter ist nicht ohne Vorfilterung mit einem Herschelkeil oder einer Sonnenfilterfolie verwendbar!
Im Preisbereich von rund 1.000 Euro sind auch Filter mit noch deutlich geringeren Durchlassbreiten verfügbar, die die Kalzium-Linien mit höherem Kontrast abbilden. Ansonsten liegen professionellere Kalzium-Filtersysteme preislich im Bereich einiger Tausend Euro, wie auch gute H-Alpha-Filter.

Visuelle Kalzium-Beobachtung?

Es ist zu beachten, dass die Empfindlichkeit des menschlichen Auges bei rund 400 nm bereits sehr gering ist und mit dem Alter leider auch abnimmt. Daher ist die CaK-Beobachtung eher eine Domäne der CCD-Sensoren. Wenn dennoch die visuelle Beobachtung beabsichtigt ist, empfiehlt sich ein Filter für die CaH Linie. Sie liegt ein klein wenig näher am visuellen Spektralbereich. Wenige Angström machen hier tatsächlich viel aus und ein CaH-Filter liefert ein deutlich helleres Bild als ein CaK-Filter.

Aktive Regionen/Sonnenflecken

Plages um einen großen Flecken (Coronado CaK PST).
Sie sind in der Regel mit den Sonnenflecken verknüpft, die ja auch im Weißlicht sichtbar sind. Es sind Orte, an denen starke Margnetfelder den Energiefluss von innen stören und Eruptionen verursachen können.

Die Sonne rotiert am Äquator mit einer anderen Geschwindigkeit als an den Polen, das nennt man differenzielle Rotation. Dadurch werden die Magnetfelder verdreht und verdichten sich mancherorts.

Das Erscheinungsbild im Kalzium-Licht ist dem im Weißlicht sehr ähnlich. Jedoch bilden sich rund herum Plages, heißere und hellere Gebiete in denen das Kalzium verstärkt zum Leuchten angeregt wird.

Das Fackelnetzwerk

Plages um einen großen Flecken.
Im Licht der H- und K-Linien sieht man das chromosphärische Netzwerk aus Supergranulationszellen mit rund 30.000 km Durchmesser, an deren Rändern sich starke Magnetfelder befinden. Die Ca-Ionen machen dieses Netzwerk in Form von Fackeln sichtbar, die den Plages bei der H-Alpha-Beobachtung entsprechen. Im Weißlicht sind die Fackeln wegen des höheren Kontrasts meistens nur am Sonnenrand zu sehen.
Fackeln sind quasi das Gegenteil zu den Sonnenflecken. Es sind ausgedehnte Gebiete die eine überhöhte Helligkeit aufweisen – etwa 10% heller als die Umgebung. Sie treten verstärkt um Sonnenflecken herum auf und sind auch hauptsächlich in den Breiten der Sonnenflecken zu beobachten. Nur während des Aktivitätsminimums der Sonne erscheinen sie auch nahe den Polen.

Surpergranulation

Die Surpergranulation kennzeichnet sich durch helle Ränder.
Supergranulationszellen transportieren heißes Gas bzw. Plasma in Richtung Sonnenoberfläche. Die Bewegung des Plasmas führt zu einer Konzentration magnetischer Felder an deren Rändern. Dort kommt es zu einer verstärkten Emission der Ca-Linien. Bei der Sonnenbeobachtung im Kalziumlicht treten deshalb die Ränder der Zellen als das hellere chromosphärische Netzwerk hervor. Die Zellen sind mit rund 30.000 km Durchmesser deutlich größer, als die im Weißlicht beobachtete Granulation.

Plages

Helle Plages bei einem kleinen Flecken.
Sonnenflecken haben im Kalziumlicht praktisch das gleiche Erscheinungsbild aus Umbra und Penumbra wie im Weißlicht und sind ebenso von helleren Fackelgebieten umgeben. Da die photosphärischen und chromospärischen Fackeln zum gleichen Phänomen gehören, treten sie an den gleichen Stellen auf. Das heiße Gas in den photosphärischen Fackeln steigt in die Chromosphäre auf und sorgt genau wie an den Rändern der oben beschriebenen Supergranulationszellen für eine erhöhte Emission der Kalzium-Linien. Um Sonnenflecken herum treten größere Bereichen mit verdichteten Fackeln auf, die auch Plages genannt werden.

Flares

Ein Flare ist in erster Linie ein impulsiv beginnendes Aufleuchten in der Korona und der Chromosphäre. Dabei wird ein großer Teil der freigesetzten magnetischen Energie in Wärme und die Beschleunigung von Teilchen umgesetzt. Der überwiegende Anteil der beschleunigten Teilchen bewegt sich entlang der Feldlinien zu den Fußpunkten der koronalen Magnetfeldbögen und gibt seine Energie bei Stößen mit dem viel dichteren Plasma in der Chromosphäre wieder ab. Sehr helle Flares lassen sich nicht nur mit H-Alpha-Filter, sondern auch im Kalzium-Licht beobachten.

Protuberanzen

Eine kleine Protuberanz im Kalzium-Licht.
Protuberanzen sind relativ kühle, dichte Plasmafasern, die sich in Magnetfeldbündeln ausbilden können, Filamente schweben nahezu waagerecht in geringen Höhen am Boden der Korona. Sie werden in der Hα-Linie oder vom Weltraum aus im EUV beobachtet und erscheinen am Sonnenrand.

Beim Aufstieg einer Protuberanz wird natürlich auch Kalzium mit transportiert. In dieser Umgebung leuchtet das Kalzium aber nur schwach. Daher sind sie im Kalzium-Licht sehr schwach und visuell nicht zu beobachten. Hierfür ist eine CCD-Kamera nötig.