Aurora australis

Polarlichtbänder

grünes Polarlicht

mehrfarbiges Polarlicht

Polarlicht, das durch eine Nuklearwaffenexplosion (Starfish Prime) hervorgerufen wurde

Das Polarlicht (auch Aurora borealis = Nordlicht bzw. Aurora australis = Südlicht) ist eine Leuchterscheinung (genauer ein Elektrometeor), die beim Auftreffen geladener Teilchen des Sonnenwindes auf die Erdatmosphäre an den Polen der Erde hervorgerufen wird. Polarlichter sind meistens nördlich 60° nördlicher Breite bzw. südlich 60° südlicher Breite zu beobachten.

Entstehung

Polarlichter entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen von der Magnetosphäre, hauptsächlich Elektronen, aber auch Protonen (Sonnenwind) und einige schwere Ionen (Sauerstoff-Ionen) auf die oberen Schichten der Erdatmosphäre treffen. Dort regen sie die vorhandenen Luftmoleküle zum Leuchten an. Dieser Vorgang funktioniert folgendermaßen: Der Aufprall eines Teilchens bewirkt bei dem Molekül/Atom eine Anregung entsprechend einer geänderten Elektronenkonfiguration. Bei der nach kurzer Zeit wieder erfolgenden Abregung wird Licht ausgesandt, allgemein als Fluoreszenz bezeichnet. Auch Kernwaffentests in hohen Atmosphären-Schichten (400 km) rufen solche Phänomene hervor, wie z. B. der Starfish-Prime-Test der USA am 9. Juli 1962.

Eintritt von Sonnenwindpartikeln über die polaren Trichter

Polarlichter treten hauptsächlich in den Polarregionen auf, denn die Sonnenwindteilchen, ein elektrisch geladenes Plasma mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von ca. 500 bis 833 km/s (bis zu 3.000.000 km/h) und einer Dichte von ca. 5 × 10⁶ Teilchen pro m³ in Erdnähe, werden vom Magnetfeld der Erde entlang der Magnetfeldlinien zu den geomagnetischen Polen gelenkt. Dort verläuft das Magnetfeld senkrecht zur Erdoberfläche, und die Teilchen können in die Atmosphäre eintreten. Das Plasma benötigt bis zum Eintreffen rund 2 bis 4 Tage bei einem Erde-Sonne-Abstand von rund 150 Millionen Kilometer.

Polarlichter kommen sowohl in nördlichen Breiten vor (Nordlichter, auch Aurora borealis) als auch auf der Südhalbkugel (Südlichter, auch Aurora australis). Auch auf anderen Planeten des Sonnensystems werden diese Erscheinungen beobachtet. Voraussetzung hierfür ist, dass der Planet ein eigenes Magnetfeld und eine Atmosphäre besitzt.

Häufigkeit

Polarlicht aus dem All aufgenommen

Die Häufigkeit der Polarlichterscheinungen in 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 11 Jahre dauert. Mit diesem Zyklus schwankt auch die Häufigkeit von Polarlichtern. Insbesondere während des Aktivitätsmaximums (auch Solarmax, zuletzt 2000/2001) finden starke Eruptionen auf der Sonne besonders häufig statt. Die dabei ausgeschleuderten 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 gesehen.^[1] Im Mittel können während der Phase des Solarmax in Deutschland etwa 10–20 dieser Leuchterscheinungen pro Jahr beobachtet werden, im Allgemeinen am Nordhimmel, 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 2–4 Tage von der Sonne bis zur Erde benötigt, kann also in diesem Zeitabstand nach einer starken 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 der Effekt ist aufgrund der geringen Neigung der Erdbahn gegen die Ekliptik eher vernachlässigbar. Wahrscheinlicher ist es eher, 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 wie Deutschland und Italien, meist nur während des Aktivitätsmaximums der Sonne beobachtet werden können. Mittels moderner Digitalkameras kann man jedoch auch während weniger aktiven Phasen des Sonnenzyklus noch einzelne Ereignisse – von Deutschland aus – dokumentieren.

Farben

Polarlichter auf dem Saturn

Polarlichter können verschiedene Farben haben. Grünes Licht entsteht durch Sauerstoffatome, die in gut 100 km Höhe angeregt werden, rotes Licht von Sauerstoffatomen in etwa 200 km Höhe. Angeregte Stickstoffatome senden violettes bis blaues Licht aus. Zur Anregung von Stickstoffatomen sind jedoch sehr hohe Energien notwendig und so lassen sich diese Farben nur bei starken Sonnenwinden beobachten.

Da der Sonnenwind außerhalb der Polarregionen nur selten tief in die Atmosphäre eindringen kann, sind Polarlichter in der gemäßigten Zone, also auch in Europa, meistens rot.

Historisches

Die frühesten Berichte über Polarlichter sind über 2000 Jahre alt. Verschiedene Kulturen im Norden Amerikas, Europas und Asiens sahen in ihnen Aktivitäten von Göttern und Geistern, sowohl in Form von Kämpfen oder Tänzen, aber auch als Mitteilungen an die Menschen. Besonders im Mittelalter galten in Europa Polarlichter, ähnlich wie Kometen, als Vorboten kommenden Unheils (z. B. Kriege, Seuchen, Hungersnöte). Die in den Breiten Mitteleuropas meistens (blut-)rote Farbe könnte zu dieser Ansicht beigetragen haben.

Die Wikinger sahen in den Polarlichtern das Zeichen, dass irgendwo auf der Welt eine große Schlacht geschlagen worden war. Nach ihrer Vorstellung ritten die Walküren nach jedem Gefecht über den Himmel und wählten die Helden aus, die fortan an Odins Tafel speisen sollten. Dabei spiegelte sich das Licht des Mondes auf ihren schimmernden Rüstungen und das Nordlicht entstand.

Im 18. Jahrhundert wurden dann die ersten Versuche unternommen, die Entstehung von Polarlichtern wissenschaftlich zu erklären. Die Forscher gingen zunächst davon aus, dass es sich bei den Polarlichtern um Reflexionen von Sonnenlicht an Wolken oder Eiskristallen handle. Erst einige Zeit später erkannte der englische Astronom und Mathematiker Edmond Halley – wahrscheinlich als erster – den Zusammenhang zwischen Erdmagnetfeld und Polarlichtern. Das Leuchten konnte er aber nicht erklären. Dieses gelang erst 1867 dem schwedischen Astronom und Physiker Anders Jonas Ångström, der zeigen konnte, dass es sich bei den Polarlichtern um selbst leuchtendes Gas handelt. Eine Theorie für die Ursache des Leuchtens stellte der norwegische Physiker Kristian Birkeland im Jahre 1896 auf: Er ging davon aus, dass Elektronen von der Sonne das Gas der oberen Atmosphäre zum Leuchten anregen. Da die Existenz des Sonnenwindes zu dieser Zeit aber noch nicht bekannt war – er wurde erst 1959 durch die sowjetische Sonde Lunik 1 nachgewiesen –, wurde seine Theorie jedoch häufig bezweifelt. Der genaue Ablauf der Polarlichtentstehung ist jedoch bis heute nicht vollständig geklärt.^[2]

Einfluss auf technische Einrichtungen

Die energiereichen, elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes, die für die Entstehung von Polarlichtern verantwortlich sind, erzeugen elektromagnetische Felder, die schädigende Auswirkungen auf elektronische Einrichtungen ausüben können. Gefährdet sind insbesondere Satelliten sowie Flugzeuge. Zur Sicherheit wird daher zu Zeiten erhöhter Polarlichtaktivität im Flugverkehr näher am Äquator oder in geringerer Höhe geflogen.

Zudem kann es in Stromnetzen durch Induktionen zu Spannungsschwankungen kommen. So wurde z. B. der Stromausfall in Kanada im Jahre 1989 auf einen starken Sonnenwind zurückgeführt.

Funkwellen werden während des Auftretens von Polarlichtern an den ionisierten Bereichen der Atmosphäre (Ionosphäre) reflektiert. Funkamateure nutzen diesen Effekt im Amateurfunkdienst, um die Reichweite ihrer Signale zu erhöhen. Da aber die reflektierten Signale stark verbrummt sind und generell den Funkverkehr stören, werden die Verbindungen oft in der Betriebsart Morsetelegrafie (CW, A1A) aufgebaut.

Deutungen in der Fiktion

In Science Fiction Romanen oder -filmen finden sich Polarlichter hin und wieder als Auslöser von übernatürlichen Ereignissen; so etwa in Langoliers von Stephen King oder in dem Film Frequency. Außerdem sind sie ein zentrales Thema besonders des ersten Teils der His Dark Materials-Trilogie von Philip Pullman.

Einzelnachweise

1. ↑ Polarlichtbilder 2003
2. ↑ TechPortal Plasmatechnologie

Video

• Was ist ein Nordlicht?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)

Siehe auch

• Lorentzkraft
• Van-Allen-Gürtel

Weblinks

• Vorhersage der Polarlichter der Universität von Alaska in Fairbanks