Polarlichter (engl. Aurora)

Zuallererst kurz zur Namengebung. Viele haben vielleicht die Bezeichnung Nordlicht bereits einmal gehört. Ich werde aber immer von Polarlicht sprechen. Der Name „Nordlicht“ ist nämlich etwas einseitig, da es auch in der Nähe des Südpoles gleichartige Leuchterscheinungen gibt. Im englischen wird im übrigen der Begriff Aurora benutzt.

Entstehung

Um die Entstehung von Polarlichtern zu begreifen, muss man zuerst verstanden haben was der Sonnenwind und die Erdmagnetosphäre sind.



Der Sonnenwind hat seinen Ursprung, wie schon sein Name verrät, auf der Sonne, genauer gesagt in der Sonnenkorona, der äussersten Sonnenhülle. Dort birst bei ein bis zwei Millionen Grad Hitze die Hülle von Wasserstoff-Atomen, so dass diese in Elektronen und Protonen zerstieben. Genau wie die Wärme und das Licht werden auch diese elektrisch geladenen Teilchen von der Sonne abgestrahlt. Der Sonnenwind jagt nun mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 800 km pro Sekunde in alle Richtungen von der Sonne weg in den Weltraum. Mit dieser Geschwindigkeit benötigen die Sonnenwindteilchen gut drei Tage um die 150 Millionen Kilometer von der Sonne zur Erde zurückzulegen.



Die Erdmagnetosphäre entspricht im wesentlichen einem normalen Dipolmagnetfeld. Ein solches möchte ich anhand eines Versuches erklären. Vielleicht kennen einige von euch den Versuch den ich zeige bereits aus dem Physikunterricht, ich möchte ihn aber für die übrigen trotzdem noch einmal durchführen.



(Versuch: Man benötigt dazu einen Magnetstab und Metallspäne, wahrscheinlich bei jedem Physiklehrer erhältlich. Der Versuch ist als Veranschaulichung eines Dipolmagnetfelds gedacht und kann auch ohne weiteres weggelassen werden)



Das Erdmagnetfeld entsteht zwar nicht durch einen riesigen Stabmagneten der in der Erde steckt, sondern durch Strömungsvorgänge im flüssigen Erdinnern, das Bild der Magnetfeldlinien ist denen eines Stabmagneten aber sehr ähnlich. Man sollte an dieser Stelle noch erwähnen, dass die Dipolachse nicht mit der Rotationsachse der Erde zusammenfällt, d.h. die geographischen Pole entsprechen nicht genau den magnetischen.



Durch den vorhin erwähnten Sonnenwind sieht die Magnetosphäre jetzt aber nicht so aus, wie wir es im Experiment gesehen haben, sondern entspricht etwa dieser Skizze:



(Folie: Schematische Darstellung der Erdmagnetosphäre aus dem Buch „Vom Regenbogen zum Polarlicht“ (siehe Literaturverzeichnis))



Auf der Tagseite der Erde wird die Magnetosphäre vom Sonnenwind zusammengepresst und dieser an der sogenannten Bugstosswelle stark abgebremst. Auf der Nachtseite werden die Magnetfeldlinien wie ein Schweif mehrere Millionen Kilometer in den Weltraum hinausgezogen. Da die Sonnenwindteilchen nicht direkt quer zu den Magnetfeldlinien in den vorderen Teil der Magnetosphäre eindringen können, umfliessen sie diesen wie Wasser einen Stein im Fluss. Beim vorbeiströmen am Schweif können sie jedoch, aufgrund komplizierter Turbulenzen in der Magnetosphäre, in diese einsickern. Dies führt uns nun zu der eigentlichen Entstehung von Polarlichtern.

Die eingedrungenen Sonnenwindteilchen sammeln sich im zentralen Bereich des Schweifs, in der sogenannten Plasmaschicht. Diese ist durch Magnetfeldlinien mit polnahen Gebieten der Erde verbunden. Durch den Einfluss des vorbeiströmenden Sonnenwindes werden die gesammelten Teilchen nun entlang dieser Feldlinien zur Erde hin beschleunigt, treten dort in die Atmosphäre ein und verursachen Polarlicht.





Die Lichtentstehung

Die aus der Magnetosphäre in die Atmosphäre eindringenden Sonnenenwindteilchen stossen mit Luftbestandteilen, das heisst mit Atomen und Molekülen, zusammen. Dadurch werden diese angeregt d.h. durch den Zusammenstoss wird ein äusseres Elektron auf eine höhere Bahn gehoben, wie hier an einem Sauerstoffatom dargestellt. Beim zurückfallen des Atoms in den Grundzustand wird die aufgenommene Energie in Form von Licht abgestrahlt. Da die Luftbestandteile von denen hier die Rede ist oberhalb von 100 km existieren, kommen auch die Polarlichter in jenen Höhen vor. Von der Art des angeregten Atoms oder Moleküls hängt nun die Farbe des abgestrahlten Lichts ab: Sauerstoffatome senden grünes und rotes Licht aus, Stickstoffmoleküle überwiegend blaues und violettes. Da das von den Sauerstoffatomen abgestrahlte Licht stärker ist, herrscht bei Polarlichtern häufig ein grüner Farbton vor. Dabei ist das grüne Licht auf einer Höhe von 120-140 km am stärksten, das rote meist erst oberhalb von 200km.





Vorkommen von Polarlichtern



Normalfall



Wo Polarlicht im Normalfall auftritt, ist sehr gut aus der Folie, die ich zur Entstehung schon einmal gezeigt habe, ersichtlich: Die Feldlinien, an denen sich die Elektronen auf ihrem Weg aus der Plasmaschicht entlang bewegen, beginnen in der Nähe der Pole.Genau betrachtet ist es ein ringförmiges Gebiet, in das die Elektronen einfallen und das Polarlicht erzeugen. Im Laufe eines Tages dreht sich die Erde nämlich unter der Einfallszone weg, so dass immer andere Gebiete darunter zu liegen kommen. Dieser Ring erstreckt sich im übrigen nicht um den geographischen, sondern um den magnetischen Pol, welche ja wie bereits erwähnt nicht identisch sind. Da er nicht genau ringförmig, sondern leicht oval ist, spricht man vom „Polarlichtoval“. Das südliche Polarlichtoval erstreckt sich fast nur über die Antarktis, das nördliche über Skandinavien, Grönland, Nordkanada und Sibirien.

In diesen zwei Gebieten treten Polarlichter fast jede Nacht auf. Sie treten an beiden Polen gleichzeitig auf und sind fast wie Spiegelbilder von einander.



Spezialfall



Das Polarlichtoval ist ja sowohl pol- als auch äquatorwärts begrenzt. Diese Begrenzung lässt sich wie folgt erklären: polwärts führen die Magnetfeldlinien von einer bestimmten geographischen Breite ab nicht mehr in die Plasmaschicht sondern durch den Rand des Schweifs in den Weltraum hinaus. Die äquatorwärts vom Oval liegenden Feldlinien reichen ebenfalls nicht in die Plasmaschicht, sie schliessen sich bereits früher.

Dennoch kann es vorkommen, dass auch in mittleren und niedrigen geographischen Breiten, d.h. äquatorwärts des Polarlichtovals, Polarlicht vorkommt. Dies kommt folgendermassen zustande:

Der Sonnenwind weht nicht immer gleichmässig und stetig, seine Geschwindigkeit und die Teilchenanzahl variieren aufgrund komplizierter Vorgänge auf der Sonne. Neben kleinen Schwankungen, welche immer vorhanden sind, kann es auch zu starken und abrupten Änderungen kommen. Dabei kann sich die Geschwindigkeit der Sonnenwindteilchen auf über 1000 km pro Sekunde erhöhen und ihre Anzahl sich vervielfachen. Diese Änderung, man könnte sie mit einer Sturmböe vergleichen, hat natürlich auch Auswirkungen auf die Erdmagnetosphäre.

Der Schweif wird kurzzeitig so zusammengedrückt, dass Teilchen aus der Plasmaschicht herausgequetscht werden. Die Magnetfeldlinien werden dabei gedehnt und ziehen sich danach wieder zusammen wie Gummibänder. Dabei nehmen sie die Teilchen mit, so dass sich diese entweder nach hinten aus der Magnetosphäre hinaus oder nach vorne in Richtung Erde bewegen. Nun liegen auch Feldlinien innerhalb der Plasmaschicht, die äquatorwärts vom Polarlichtoval beginnen. Diese stark vereinfachte Beschreibung erklärt, warum auch in unseren breiten Polarlicht vorkommen kann. In Mitteleuropa kommt es im Durchschnitt etwa 1-3 Mal pro Jahr, in den Mittelmeerländern nur etwa alle 15-20 Jahre einmal vor.





Einteilung



Polarlichter können in Form, Farbe und Helligkeit sehr unterschiedlich sein. Bei ruhigen Bedingungen, d.h. bei keinen grossen „Böen“ des Sonnenwindes, beobachtet man innerhalb des Polarlichtovals den sogenannten „ruhigen“ Bogen. Er erstreckt sich in ost-westlicher Richtung über den Himmel und kann über 10 Minuten lang völlig ruhig stehen. Oft sieht man auch mehrere Bögen hintereinander. Treten Störungen im Sonnenwind auf, verformt sich der ruhige Bogen und es können Beulen oder Falten entstehen. Man spricht dann von Bändern, weil diese Erscheinungen wie Leuchtbänder über den Himmel fliessen. Sie wechseln schnell ihre Farbe, Form und Helligkeit.

Als Corona, nicht zu verwechseln mit der zu Beginn erwähnten Sonnenkorona, bezeichnet man eine Polarlichtform, die der Beobachter genau im Zenith sieht. Die einzelnen Strahlen scheinen hier in einem Punkt zusammenzulaufen.

Vorhänge nennt man schliesslich dünne, schleierförmige Polarlichter, die bis zu mehreren 100 km Höhe reichen. Oft scheinen helle Sterne durch sie hindurch.