Die Sonne – das Superkraftwerk

In 150 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde befindet sich ein viereinhalb Milliarden Jahre alter, in seinem Inneren bis zu 15 Millionen Grad heißer Feuerball, in dem die Erde eine Million Mal Platz hätte (Durchmesser: 1,39 Millionen Kilometer, oder 109 Mal der Durchmesser der Erde), der 99% der Masse unseres Sonnensystems ausmacht und in dem jede Sekunde 564 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 560 Millionen Tonnen Helium durch Kernfusion umgewandelt werden (die Sonne besteht zu 73,5% aus Wasserstoff und zu 25% aus Helium, der Rest besteht aus schwereren Elementen wie Eisen, Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff). Die Energie, die dabei frei wird (die rund 4 Millionen Tonnen Massedifferenz pro Sekunde ergeben eine Energieleistung von 370 000 000 000 000 000 000 000 000 Watt), erreicht uns jeden Tag in Form lebenswichtiger Sonnenstrahlung. Aber nur 40% dieser Strahlung kann der Mensch sehen in Form von sichtbarem Licht, der Rest ist UV-Strahlung (8%) und Wärmestrahlung (52%). Die Intensität der Sonnenstrahlung nimmt mit zunehmender Entfernung ab. Wäre die Erde näher an der Sonne, würde alles Leben verbrennen (auf den beiden sonnennächsten Planeten Merkur und Venus herrschen Temperaturen bis über 400°C), wäre sie weiter weg, hätte sich kein Leben entwickeln können, da es zu kalt wäre (auf dem Mars beträgt die Durchschnittstemperatur minus 60°C). Die Erdatmosphäre sorgt außerdem für relativ ausgeglichene Temperaturen.
Der Stoff, aus dem die Sonne besteht, nennen die Wissenschaftler Plasma, womit in der Physik ein Gasgemisch aus neutralen und geladenen Elementarteilchen gemeint ist (Energiesparlampen und bestimmte Fernseher zum Beispiel enthalten Plasma). Neue Mess- und Beobachtungsmethoden (am 11. Februar 2010 schießt die NASA ein «Solar Dynamic Observatory», SDO, ins All, das seither ununterbrochen hochaufgelöste Bilder der Sonne zur Erde schickt und eine genauere Erforschung der Sonnenvorgänge ermöglicht) haben außerdem zu der Erkenntnis geführt, dass die Sonne voll von Schallwellen ist, die durch die Bewegung der Gase im Sonneninneren entstehen. Die Wellen wandern durch die Sonne hindurch und werden an ihrer Oberfläche reflektiert, was dort Vibrationen verursacht. Wissenschaftler schätzen die Zahl der Schwingungen (die sich durch unterschiedliche Frequenzen unterscheiden) in der Sonne auf über 10 Millionen. Ganz ähnlich wie bei der Seismologie, wo künstlich erzeugte Druckwellen den inneren Aufbau der Erde «widerspiegeln», lassen die Messungen der Sonnenschallwellen Rückschlüsse auf den inneren Aufbau der Sonne zu (man spricht dann von Helioseismologie). So hat man herausgefunden, dass die Sonne, ähnlich wie die Erde, schalenbauförmig aufgebaut ist. Im Zentrum befindet sich der Kern, in dem der Ursprung liegt von Wärme und Licht, die die Sonne bis zur Erde schickt. Bei Temperaturen bis zu 15 Millionen Grad Celsius wird Wasserstoff zu Helium zusammengeschmolzen oder fusioniert. Vier Wasserstoffatomkerne werden zu jeweils einem schweren Heliumkern zusammengebacken. Dabei verliert die Sonne jede Sekunde 4,4 Millionen Tonnen ihrer Masse. Die Energie, die dabei frei wird, ist gewaltig. Es ist so, als würden jede Sekunde 10 Milliarden Wasserstoffbomben gezündet. Der unvorstellbare Druck, der dabei entsteht, müsste eigentlich die Sonne zum Explodieren bringen, aber die enorme Gravitation, die von außen auf das Innere wirkt, hält das System im Gleichgewicht. Um den Kern herum befindet sich die so genannte Strahlungszone. Die sehr hohe Dichte dieser Zone bewirkt, dass die Lichtteilchen (auch noch Photonen genannt) aus dem Inneren immer wieder mit anderen Teilchen zusammenstoßen und so rund hunderttausend Jahre brauchen, um sie zu durchqueren. In der nächsten, weiter außen liegenden Schicht sinkt der Druck und das Plasma ist weniger dicht und die Lichtteilchen werden durch so genannte Konvektionsströme im Plasma innerhalb eines Monats bis an die Sonnenoberfläche transportiert, wo sie ins Weltall abstrahlen. Von der Oberfläche der Sonne bis zur Erde benötigt das Licht dann noch weitere 8,3 Minuten (150 Millionen Kilometer geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit, also 300 000 Kilometer in der Sekunde, macht gleich 500 Sekunden oder 8,3 Minuten).
Die Sonne sendet auch kontinuierlich Teilchenströme ins Weltall (vor allem Protonen in Form von Wasserstoffkernen und Elektronen), die man als Sonnenwind bezeichnet. Sie bewegen sich mit Ge-schwindigkeiten von 1,4 Millionen Stundenkilometern und erreichen nach wenigen Tagen die Erde. Das Erdmagnetfeld schützt uns vor dem gefährlichen Wind. Aber von Zeit zu Zeit entstehen auf der Sonnenoberfläche regelrechte Magnetstürme, die zehntausende von Kilometern in die Höhe ragen, unvorstellbare Druckwellen erzeugen und Milliarden Tonnen geladene Teilchen in den Weltraum abgeben. Diese Teilchenströme bewegen sich fast doppelt so schnell wie der «normale» Sonnenwind und können in die höheren Schichten der Atmosphäre eindringen. An den Polen dringen sie in niedrigere Höhen hinunter und stoßen zusammen mit Sauerstoff- und Stickstoffatomen der Erdatmosphäre, die solcherart zum Leuchten angeregt werden und uns als Polarlichter sichtbar werden. Je nach Stärke können Sonnenstürme aber auch gewaltige Stromstöße (von denen einige bis zu mehrere Billionen Watt stark sind) auf der Erde verursachen, die ganze Stromnetze lahmlegen und Funkverbindungen stören, wie beispielsweise in Kanada im März 1989, wo durch solch einen Stromstoß zahlreiche Kraftwerke lahmgelegt wurden und 6 Millionen Menschen während 9 Stunden ohne Strom waren. Der stärkste bisher bekannte Sonnensturm ereignete sich Ende August 1859. Von Rom bis Havanna waren Polarlichter zu sehen, unzählige Telegrafenleitungen wurden beschädigt. Da das Stromnetz zu dieser Zeit noch sehr wenig entwickelt war und es weder Flugzeuge, künstliche Satelliten und digitale Kommunikationstechniken gab,  hielt sich der Gesamtschaden in Grenzen. Ganz anders wäre das heutzutage, sollte ein Sonnensturm ähnlicher Stärke stattfinden und die Erde erreichen.
Ohne Sonne gäbe es keine Pflanzen, keine Tiere und keine Menschen auf der Erde, also kein Leben. Es gäbe auch keine Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas, denn diese Kohlenwasserstoffe entstehen durch die chemische Umwandlung abgestorbener Pflanzen. Die Sonne ist der Motor für den Wasserkreislauf (Verdunstung-Wolkenbildung-Niederschläge) und das Wetter (durch die unterschiedliche Erhitzung der Erdoberfläche). Ohne Sonne gäbe es keine Wind- und keine Wasserkraftwerke und natürlich keine Solaranlagen.
(Ausschnitt aus “Das ist unsere Welt” ; 356 Seiten; Paperback)

Das ist unsere Welt

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Die Entstehung der Erde

Die Entstehung der Erde ist eng verbunden mit der Entstehung unseres Sonnensystems. Der Ursprung der Sonne geht zurück auf ein gigantisches Feuer vor rund 4,5 Milliarden Jahren. Eine riesige Wolke aus Gas und Staub fällt unter der Einwirkung ihrer eigenen Schwerkraft in sich zusammen (kollabiert). Dadurch entsteht ein enormer Druck und sehr hohe Temperaturen, die Kernfusionsprozesse in Gang setzen. Die Energie, die dadurch entsteht, wird in Form von Strahlung abgegeben. Aber nicht das ganze ursprüngliche Material der Gas- und Staubwolke konzentriert sich in der Sonne. Ein Restsatz schwirrt um die Sonne. Dieses Material organisiert und ordnet sich zunehmend. Immer größere Brocken klumpen zusammen aufgrund der zwischen den Himmelskörpern wirkenden Anziehungskraft. So entstanden die Planeten und Asteroiden, die bis heute die Sonne umkreisen. Durch die Kollisionen der jungen Erde mit anderen Himmelskörpern entstehen sehr hohe Temperaturen. Eisen und Nickel schmelzen und sinken in den Kern des Planeten. Im Kern erzeugt das rotierende geschmolzene Eisen ein riesiges Magnetfeld, das die Erde bis heute umgibt und uns vor dem gefährlichen Sonnenwind schützt (die Sonne sendet kontinuierlich Teilchenströme ins Weltall – vor allem Protonen in Form von Wasserstoffkernen und Elektronen – die man als Sonnenwind bezeichnet). Nach der Entstehung der Sonne vergehen rund 50 -70 Millionen Jahre, während denen die Erde wächst und wächst. Als sie in etwa zwei Drittel ihrer heutigen Größe erreicht hat, kommt es zu einem Ereignis, das die Zukunft des noch jungen Planeten entscheidend beeinflussen wird. Ein Himmelskörper, in etwa halb so groß wie die damalige Erde, rast mit einer Geschwindigkeit von 40 000 Kilometern pro Stunde auf die Erde zu und stößt mit ihr zusammen. Die Experten gehen davon aus, dass sich aus den Trümmern dieses Aufschlags später der Mond gebildet hat, der bis in die heutige Gegenwart eine lebenswichtige Rolle für die weitere Entwicklung des Planeten spielt (siehe nächstes Kapitel).

Nach diesem Zusammenstoß ist die Oberfläche der Erde während Millionen von Jahren ein riesiger Ozean aus flüssigem Gestein. Nur sehr langsam kühlt sich die Oberfläche ab und eine dünne Kruste bildet sich. Asteroideneinschläge reißen die Kruste immer wieder auf, das zähflüssige Gestein im Erdinneren dringt an die Oberfläche, Gase entweichen und reichern die Uratmosphäre mit Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff an. Diese Gasschicht, die bis zu 60-mal dichter ist als die heutige Atmosphäre und noch keinen Sauerstoff enthält, wird von der Schwerkraft der Erde daran gehindert, ins Weltall zu entweichen. Vor 4,2 Milliarden Jahren hatte sich die Erde bis unter 100°C abgekühlt, so dass zum ersten Mal in der Atmosphäre Wasserdampf kondensieren und sich in Wasser umwandeln kann. Während Millionen von Jahren geht infolgedessen ein Dauerregen auf die Erde nieder. Die ersten Ozeane und Meere bilden sich.

So hat sich während Milliarden von Jahren ein komplexes System entwickelt mit unzähligen Wechselwirkungen zwischen seinen Komponenten, wie Luft, Wasser, Land, Boden, Untergrund und Leben. Darüber hinaus gibt es Zusammenhänge mit den Sphären jenseits der Atmosphäre, wie Erdmagnetfeld und Sonnenwind zum Beispiel.
(Ausschnitt aus “Das ist unsere Welt“; 356 Seiten – Paperback).

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