Polarlicht

Das Polarlicht (wissenschaftlich Aurora borealis als Nordlicht auf der Nordhalbkugel und Aurora australis als Südlicht auf der Südhalbkugel) ist eine Leuchterscheinung durch angeregte Stickstoff- und Sauerstoffatome der Hochatmosphäre, also ein Elektrometeor. Polarlichter sind meistens in etwa 3 bis 6 Breitengrade umfassenden Bändern in der Nähe der Magnetpole zu sehen. Hervorgerufen werden sie durch energiereiche geladene Teilchen, die mit dem Erdmagnetfeld wechselwirken. Dadurch, dass jene Teilchen in den Polarregionen auf die Erdatmosphäre treffen, entsteht das Leuchten am Himmel. Der wissenschaftliche Begriff leitet sich von lat. aurora für Morgenröte und borealis für nördlich bzw. australis für südlich her.

Das Plasma des Sonnenwindes wird durch das Erdmagnetfeld in weitem Bogen um die Erde gelenkt, da die elektrisch geladenen Teilchen sich nicht quer zu den Magnetfeldlinien bewegen können. Dadurch wird die Magnetosphäre deformiert, die Feldlinien werden auf der sonnenzugewandten Seite gestaucht und auf der Nachtseite zu einem langen Schweif ausgezogen. Die Sonne ist unstet und kann bei heftigen Sonneneruptionen einen koronalen Massenauswurf hervorbringen, der, falls erdgerichtet, mit einer Geschwindigkeit von ca. 1000 km/s nach etwa zwei Tagen die Erde erreicht. Dann wird die Magnetosphäre gestört – man spricht auch von einem geomagnetischen Sturm – und es treten im Schweifbereich Rekonnexionen auf. Infolge der Veränderung des Magnetfeldes entsteht durch elektromagnetische Induktion auf der Nachtseite der Erde Elektrizität. Dadurch werden Elektronen beschleunigt und es entsteht ein komplexes System bewegter elektrischer Ladungen, die sich in teils großen, weltumspannenden Strömen wie dem Ringstrom, den Birkelandströmen, den Pedersenströmen und dem polaren Elektrojet um die Erde bewegen. Elektronen, die entlang der Magnetfeldlinien spiralförmig zur Erde geleitet werden, treffen an deren Fußpunkten auf Sauerstoff- und Stickstoffatome der Erdatmosphäre und regen diese an oder ionisieren sie. Die durch Elektronenstoß oder durch Rekombination entstandenen angeregten Atome senden beim Rückfall in den Grundzustand Licht aus, meist grünes oder rotes Phosphoreszenzlicht durch die Sauerstoffatome und Blau und Violett durch die Stickstoffatome. Bei starken Magnetstürmen können auch Feldlinien betroffen sein, deren Fußpunkte in niedrigen Breiten liegen.

Das rote Licht entsteht in ~250 km Höhe, das grüne Licht in ~120 km Höhe. Die Höhe der Polarlichter wurde schon im 18. Jahrhundert durch Triangulation bestimmt. Dazu muss ein charakteristisches Merkmal von zwei Beobachtern in möglichst großen Abständen angepeilt werden. John Dalton und Henry Cavendish gelang 1789/90 so eine Höhenbestimmung von 80 bis 160 km, die in etwa heutigen Werten entspricht. Carl Störmer erhielt im 20. Jahrhundert durch zahlreiche Bildauswertungen mittlere Höhen (für das grüne Licht) von 110 km.Birgit und Kristian Schlegel, Polarlichter zwischen Wunder und Wirklichkeit, 2011, S. 136–139.

Auftreten Lokaler Schwerpunkt an den Polen Polarlichter treten hauptsächlich in den Polarregionen auf, wo die Feldlinien die Atmosphäre durchdringen. Sie kommen sowohl in nördlichen Breiten (Nordlichter, auch aurora borealis) als auch auf der Südhalbkugel vor (Südlichter, auch aurora australis). Besonders häufig treten Polarlichter in Alaska, Kanada, Finnland, Island und Norwegen auf.Polarlichter weltweit: An diesen Orten leuchtet der Himmel besonders schön, auf urlaubsdeals24.com

Auch auf anderen Planeten des Sonnensystems werden diese Erscheinungen beobachtet. Voraussetzung hierfür ist, dass der Planet ein eigenes Magnetfeld und eine Atmosphäre besitzt. Beispielsweise wurden Polarlichter auf dem Mars mithilfe der Sonde MAVEN beobachtet. Polarlichter auf dem Mars, Welt der Physik, 1. März 2024 Im Jahre 2015 konnten Astronomen erstmals Polarlichter außerhalb des Sonnensystems beobachten. Die an dem 18 Lichtjahre entfernten Stern LSR J1835+3259 mit geringer Masse beobachteten Aktivitäten waren etwa 10.000-mal stärker als Polarlichter auf dem Jupiter.

Auch Kernwaffentests in hohen Atmosphären-Schichten (400 km) rufen solche Phänomene hervor, wie beispielsweise der Starfish-Prime-Test der USA am 9. Juli 1962.

Häufigkeit mini|hochkant=1.1|Zeitrafferaufnahme eines Polarlichtes

Die Häufigkeit der Polarlichterscheinungen in den mittleren Breiten (Mitteleuropa) hängt von der Sonnenaktivität ab. Die Sonne durchläuft einen Aktivitätszyklus (Sonnenfleckenzyklus), der vom Anfang (solares Minimum) über die Mitte (solares Maximum) bis zum Ende (erneutes Minimum) im Durchschnitt elf Jahre dauert. Mit diesem Zyklus schwankt auch die Häufigkeit von Polarlichtern. Insbesondere während des Aktivitätsmaximums (auch Solarmax genannt; zuletzt aufgetreten 2024) finden starke Eruptionen auf der Sonne besonders häufig statt. Die großen koronalen Massenauswürfe sind für Polarlichter in Mitteleuropa essentiell. In frühen und späten Phasen des Sonnenzyklus, nahe am solaren Minimum, treten viel weniger dieser Eruptionen auf und somit gibt es auch eine deutlich geringere Wahrscheinlichkeit für Polarlichter. Dennoch können auch im abfallenden und ansteigenden Sonnenzyklus starke Ereignisse beobachtet werden.

So wurden unter anderem im Herbst 2003 Polarlichter in Griechenland und auch auf den Kanarischen Inseln gesichtet. Im Mittel können während der Phase des solaren Maximums im deutschsprachigen Raum etwa 10 bis 20 dieser Leuchterscheinungen pro Jahr beobachtet werden. Im Allgemeinen sind sie am Nordhimmel zu sehen, nur bei besonders starkem Sonnenwind können sie auch in südlicher Richtung auftreten. Durch erdgebundene, visuelle Sonnenbeobachtung können Polarlichter kurzfristig vorhergesagt werden. Besser gelingt dies aber durch das Hinzuziehen von frei verfügbaren Daten der diversen Weltraummissionen von ESA und NASA zur Erforschung der Sonne und des Sonnenwindes. Da der Sonnenwind zwei bis vier Tage von der Sonne bis zur Erde unterwegs ist, kann in diesem Zeitabstand nach einer starken, erdgerichteten Sonneneruption mit Polarlichtern gerechnet werden.

Die statistische Ableitung, dass Polarlichter hauptsächlich im Herbst/frühen Winter, von Ende Oktober bis Mitte Dezember, sowie im späten Winter/Frühjahr, von Ende Februar bis Anfang April, auftreten, ist nicht absolut gesichert. Hier stehen zwar die Magnetfelder von Erde und Sonne besonders günstig zueinander, aber dieser Effekt ist aufgrund der geringen Neigung der Erdachse gegen die Ekliptik eher zu vernachlässigen. Wahrscheinlicher ist es, dass besonders in den kältesten Winternächten die Beobachtungen aufgrund des Wetters sehr rar sind. Ähnliches gilt für die fehlenden Sommerbeobachtungen, denn zu dieser Jahreszeit herrscht im Norden die Mitternachtssonne und macht Polarlichtsichtungen praktisch unmöglich. Im Allgemeinen kann man sagen, dass Polarlichter mit zunehmender Distanz zum jeweiligen Pol, etwa von Deutschland, Österreich, der Schweiz und Italien aus, meist nur während des Aktivitätsmaximums der Sonne beobachtet werden können, was relativ selten ist. Mittels moderner Digitalkameras kann man jedoch auch während der weniger aktiven Phasen des Sonnenzyklus noch einzelne Ereignisse – von Mitteleuropa aus – dokumentieren.

Farben mini|hochkant=1.1|Höhenabstufung rot/grün (bei Tromsø) miniatur|hochkant=1.1|Mehrfarbiges Polarlicht

Unter den fünf Spektrallinien des Lichts der Aurora befinden sich nicht, wie bei der Neonröhre, die typischen, im Labor beobachtbaren Linien des Stickstoffs und des Sauerstoffs. Es gibt grünes Licht bei 557,7 nm, rotes Licht bei 630 nm und 636 nm – alle dem Sauerstoff zugeordnet – und seltener blaues Licht bei 391 nm und 428 nm vom Stickstoff. Diese Linien gehören zu Übergängen, für die Dipolstrahlung nicht in Frage kommt. Dennoch kann man sie Energiestufen der Elemente zuordnen. Stattdessen entstehen sie aus relativ langlebigen, metastabilen Zuständen durch Quadrupolübergänge der Phosphoreszenz.

Die Aurora ist also ein Nachleuchten der Sauerstoffatome und Stickstoffmoleküle in der Erdatmosphäre, angeregt durch nachtseitig in die Atmosphäre eintretende, hochenergetische Elektronen, die durch magnetische Induktion im Zusammenhang mit den von der Sonne verursachten Schwankungen des Erdmagnetfeldes auftreten. Rotes Licht erscheint immer oberhalb des grünen Lichtes.

Es gibt einen weiteren Prozess, der mit dem Nachleuchten konkurriert. Ein metastabiles Atom kann seinen Anregungszustand auch strahlungslos beenden, wenn es auf ein Nachbaratom trifft und diesem seine Energie durch Stoßabregung überträgt. Damit wird der Prozess druckabhängig. Es müssen genügend Atome vorhanden sein, damit sich metastabile Atome bilden können, aber nicht zu viele, weil sonst Stoßprozesse die Zustände abregen. Das führt zu einer Schichtung der Farben je nach Lebensdauer der metastabilen Zustände, wie beobachtet: die Farbe wird zum Indikator für den Luftdruck, in einer Höhe von ~120 km das tanzende grüne Licht mit einer Lebensdauer im Sekundenbereich, bei ~250 km das eher statische rote Licht mit einer Lebensdauer von mehreren Minuten und das seltene blaue Licht mit einer noch längeren Lebensdauer ganz oben. Es können auch Mischfarben auftreten.

Formen Es treten vier verschiedene Arten von Polarlichtern auf, welche abhängig von den Sonnenwinden sind. Diese sind: Corona, Vorhänge, ruhige Bögen und Bänder. Wissenschaftlich werden sie gemäß der Vallance-Jones Classification unterteilt:

mini|hochkant=1.1|Unterschiedliche Formen Abk. Bezeichnung englisch deutsch HA Homogeneous Arc Gleichmäßiger Bogen HB Homogeneous Band Gleichmäßiges Band RA Rays Arc Strahlenförmiger Bogen RB Rays Band Strahlenförmiges Band DS Diffuse Surface Diffuse Fläche PS Pulsating Surface Pulsierende Fläche PA Pulsating Arc Pulsierender Bogen C Corona Korona (ringförmige Strahlen) F Flaming Zenit-gerichtete, pulsierende Strahlen alternativtext=Leuchtend magentafarbene Schlieren, die auf die Bildmitte hin zu fließen scheinen|mini|Magentafarbene Corona einer Aurora Borealis in Brastad, Schweden

Weiterhin gibt es innerhalb der Lichter deutliche dunkle Bereiche, die sogenannte Anti-Aurora. Es sind Gebiete, in denen der Elektronenstrom in Richtung Hochatmosphäre zum Erliegen kommt. Satelliten haben in einem solchen Bereich nach oben, also weg von der Atmosphäre gerichtete Elektronenströme festgestellt.

In den 2010er Jahren wurde von Amateurastronomen ein neues Auroraphänomen (Dünen, Dunes) bestehend aus an Dünen erinnernde Wellenmustern in der grünen Aurora entdeckt. Es wird auf eine Welle von 45 km Wellenlänge in der unteren Thermosphäre (Höhe rund 100 km) zurückgeführt, möglicherweise identisch mit als mesospheric bores bekannten Schwerewellen.Minna Palmroth u. a., Citizen Scientists Discover a New Auroral Form: Dunes Provide Insight Into the Upper Atmosphere, AGU Advances, Band 1, Heft, 1, März 2020, e2019AV000133 Nach der Theorie von Minna Palmroth und Kollegen können diese Schwerewellen aus der Mesosphäre in eine Zwischenschicht zwischen Mesopause und einer darunter liegenden Inversionsschicht gelangen und dort größere Entfernungen zurücklegen.Clemens Haug, Hobbyastronomen entdecken neues Polarlichtphänomen, mdr wissen, 31. Januar 2020

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