Wer an die Sonne denkt, sieht zunächst eine helle Kugel am Himmel. Physikalisch ist sie jedoch ein extrem heißes Plasma, das überwiegend aus Wasserstoff und Helium besteht. Ich zeige, woraus die Sonne besteht, warum ihre chemische Zusammensetzung im Inneren anders aussieht als an der sichtbaren Oberfläche und wie Astronomen diese Angaben überhaupt bestimmen.
Die wichtigsten Fakten zur Zusammensetzung der Sonne
- Etwa 73 Prozent Wasserstoff und 25 Prozent Helium entfallen auf die Masse der sichtbaren Sonnenoberfläche.
- Die übrigen rund 2 Prozent bestehen aus schwereren Elementen wie Sauerstoff, Kohlenstoff, Neon, Eisen und Silizium.
- Die Sonne ist kein gewöhnliches Gas, sondern größtenteils elektrisch geladenes Plasma.
- Im Kern verschmilzt Wasserstoff zu Helium. Dabei entstehen Licht, Wärme und Neutrinos.
- Die Zusammensetzung lässt sich vor allem durch Spektralanalyse, Sonnenmodelle und Neutrinos untersuchen.
Was steckt chemisch in der Sonne?
Die kurze Antwort lautet Wasserstoff und Helium. Zusammen machen diese beiden Elemente ungefähr 98 Prozent der Sonnenmasse aus. Der verbleibende kleine Anteil wirkt auf den ersten Blick nebensächlich, ist für die Astronomie aber sehr wichtig, weil er Hinweise auf die Entstehung und Entwicklung unseres Sterns liefert.
| Bestandteil | Anteil an der Masse | Bedeutung |
|---|---|---|
| Wasserstoff | etwa 73 Prozent | Brennstoff der Kernfusion |
| Helium | etwa 25 Prozent | Produkt der Wasserstofffusion |
| Schwerere Elemente | rund 2 Prozent | unter anderem Sauerstoff, Kohlenstoff, Neon und Eisen |
Diese Werte beziehen sich vor allem auf die Photosphäre, also die sichtbare Schicht der Sonne. In der Astronomie zählen alle Elemente schwerer als Helium oft als „Metalle“, auch wenn es sich dabei nicht nur um typische Metalle wie Eisen handelt. Sauerstoff und Kohlenstoff gehören in dieser Fachsprache ebenfalls zu den schweren Elementen.
Nach der Anzahl der Atome sieht das Verhältnis etwas anders aus. Rund 91 Prozent der Atome sind Wasserstoffatome und etwa 9 Prozent Heliumatome. Der Grund ist einfach: Ein Wasserstoffatom ist deutlich leichter als ein Heliumatom. Deshalb kann Wasserstoff bei der Atomzahl stärker vertreten sein, während Helium beim Massenanteil fast ein Viertel ausmacht.
Warum sich die Zusammensetzung im Sonnenkern verändert
Die Sonne ist kein gleichmäßig gemischter Ball. In ihrem Zentrum herrschen Temperaturen von ungefähr 15 Millionen Kelvin und ein gewaltiger Druck. Unter diesen Bedingungen verschmelzen Wasserstoffkerne in mehreren Reaktionsschritten zu Heliumkernen. Diesen Vorgang nenne ich gern den eigentlichen Motor der Sonne, weil er ihre Energie über Milliarden Jahre liefert.
Bei der Fusion geht ein kleiner Teil der Masse verloren und wird nach Einsteins Formel E = mc² in Energie umgewandelt. Die Sonne wandelt dabei pro Sekunde mehrere hundert Millionen Tonnen Wasserstoff um. Nur ungefähr vier Millionen Tonnen Masse werden in Energie überführt, doch selbst diese Menge reicht für die enorme Strahlungsleistung unseres Sterns.
Wasserstoff nimmt ab, Helium nimmt zu
Im Kern ist der Wasserstoffanteil daher niedriger als in den äußeren Schichten. Gleichzeitig sammelt sich dort das bei der Fusion entstehende Helium an. Außerhalb des Kerns hat sich die ursprüngliche Zusammensetzung weitgehend erhalten, weil die einzelnen Schichten nicht vollständig miteinander durchmischt werden.
Das erklärt einen häufigen Irrtum. Die Sonne besteht nicht überall exakt im gleichen Verhältnis aus Wasserstoff und Helium. Die bekannten Prozentangaben sind sinnvoll gerundete Werte für die äußeren, beobachtbaren Bereiche. Im Zentrum sieht die chemische Bilanz wegen der laufenden Kernfusion anders aus.
Die Sonne besteht aus Plasma, nicht aus gewöhnlichem Gas
Bei der Frage nach der Zusammensetzung geht es nicht nur um chemische Elemente, sondern auch um den Aggregatzustand. Die Sonne ist so heiß, dass Elektronen von ihren Atomkernen getrennt werden. Es entsteht Plasma, ein elektrisch leitfähiger Zustand aus freien Elektronen und geladenen Atomkernen.
Dieser Unterschied hat praktische Folgen. Das Plasma kann starke Magnetfelder erzeugen und beeinflussen. Sonnenflecken, Flares und koronale Massenauswürfe hängen eng mit diesen Magnetfeldern zusammen. Genau deshalb ist die Sonnenaktivität mehr als eine reine Wärmeerscheinung.
Vom Kern bis zur Korona
- Kern: Hier findet die Kernfusion statt. Die Temperatur und der Druck sind am höchsten.
- Strahlungszone: Energie bewegt sich überwiegend durch die Aufnahme und Abgabe von Strahlung nach außen.
- Konvektionszone: Heißes Plasma steigt auf, kühlt etwas ab und sinkt wieder nach unten.
- Photosphäre: Diese sichtbare Schicht wirkt wie eine Oberfläche, ist aber keine feste Grenze.
- Chromosphäre und Korona: Die äußere Atmosphäre ist extrem dünn und reicht weit in den Weltraum.
Die sichtbare Oberfläche ist also nicht mit einer festen Erdoberfläche vergleichbar. Wer von der „Oberfläche“ der Sonne spricht, meint meist die Photosphäre, aus der das sichtbare Licht stammt. Ihre Temperatur liegt bei ungefähr 5.500 Grad Celsius, während die Korona überraschenderweise mehrere Millionen Grad heiß werden kann.
Wie Astronomen die Bestandteile der Sonne bestimmen
Niemand kann eine Probe aus der Sonne entnehmen. Trotzdem lässt sich ihre Zusammensetzung erstaunlich genau untersuchen. Das wichtigste Werkzeug ist die Spektralanalyse. Dabei wird das Sonnenlicht in seine Farben zerlegt, wobei bestimmte Elemente charakteristische dunkle oder helle Linien hinterlassen.
Diese Linien funktionieren ähnlich wie ein chemischer Fingerabdruck. Wasserstoff, Helium, Eisen oder Natrium absorbieren Licht bei jeweils bestimmten Wellenlängen. Aus der Stärke und Form dieser Linien können Forschende ableiten, welche Elemente vorhanden sind und in welcher Menge sie ungefähr vorkommen.
Messungen aus mehreren Perspektiven
Das Spektrum allein reicht nicht für jedes Detail. Deshalb kombinieren Astronomen verschiedene Methoden. Die Helioseismologie untersucht Schwingungen der Sonnenoberfläche und liefert Hinweise auf den inneren Aufbau. Modelle zu Masse, Temperatur, Druck und Energiefluss helfen dabei, die nicht direkt sichtbaren Regionen zu berechnen.
Eine besonders überzeugende Ergänzung sind solare Neutrinos. Diese nahezu masselosen Teilchen entstehen bei den Fusionsreaktionen im Kern und verlassen die Sonne fast ungehindert. Ihre Messung bestätigt, dass die Energie tatsächlich durch Kernfusion entsteht und nicht durch eine gewöhnliche Verbrennung.
Was die Sonnenzusammensetzung für die Erde bedeutet
Die chemische Mischung der Sonne bestimmt, wie ein Stern Energie erzeugt und wie lange er stabil bleibt. Wasserstoff ist dabei der entscheidende Brennstoff. Solange im Kern genügend davon fusioniert, bleibt das Gleichgewicht zwischen Gravitation und Strahlungsdruck erhalten.
Für die Erde ist vor allem die abgegebene Energie entscheidend. Licht und Wärme ermöglichen unser Klima und biologische Prozesse. Der Sonnenwind besteht ebenfalls hauptsächlich aus geladenem Wasserstoff und Helium. Das Magnetfeld der Erde schützt uns vor einem großen Teil dieser Teilchen, bei starken Sonnenstürmen können jedoch Satelliten, Funkverbindungen und Stromnetze beeinträchtigt werden.
Eine weitere wichtige Einordnung betrifft die Farbe. Die Sonne ist nicht wirklich gelb, weil sie aus einem gelben Stoff bestünde. Ihr Licht enthält ein breites Spektrum vieler Wellenlängen. Von der Erde aus wirkt es durch die Atmosphäre oft gelblich, während die Sonne außerhalb der Erdatmosphäre eher weiß erscheint.
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Was die Sonne nicht ist
- Sie ist kein Feuerball wie ein Holzfeuer. Es gibt keine chemische Verbrennung mit Sauerstoff.
- Sie besitzt keine feste Oberfläche. Die sichtbare Grenze entsteht durch die zunehmende Lichtundurchlässigkeit des Plasmas.
- Sie besteht nicht ausschließlich aus Wasserstoff. Helium und schwere Elemente spielen ebenfalls eine messbare Rolle.
- Die Sonne ist keine Wasserstoffbombe. In ihr läuft eine kontrollierte Kernfusion unter dem Druck der eigenen Gravitation ab.
Warum die Sonnenformel mehr verrät als nur ihre Zutaten
Die Zusammensetzung der Sonne ist zugleich ein Protokoll ihrer Geschichte. Wasserstoff und Helium erinnern an das Material, aus dem sie vor rund 4,6 Milliarden Jahren entstanden ist. Die kleinen Mengen schwerer Elemente zeigen, dass dieses Ausgangsmaterial bereits von früheren Sternen angereichert wurde.
Ich finde besonders wichtig, zwischen Masseanteil, Atomanzahl und Schicht zu unterscheiden. Erst dann werden die Prozentwerte verständlich und man vermeidet den häufigen Fehler, die sichtbare Photosphäre mit dem gesamten Sonneninneren gleichzusetzen.
Die prägnanteste Antwort bleibt deshalb: Die Sonne besteht überwiegend aus Wasserstoff und Helium, liegt dabei als heißes Plasma vor und erzeugt ihre Energie im Kern durch die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium. Die wenigen Prozent schwererer Elemente machen mengenmäßig wenig aus, liefern der Forschung aber wichtige Hinweise auf den Aufbau und die Entwicklung unseres Sterns.
