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.

Entstehung

Polarlichter entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwinds aus der Magnetosphäre (hauptsächlich Elektronen, aber auch Protonen) auf Sauerstoff- und Stickstoffatome in den oberen Schichten der Erdatmosphäre treffen und diese anregen oder ionisieren. Bei der nach kurzer Zeit wieder erfolgenden Rekombination bzw. dem Rückfall in den Grundzustand wird Licht ausgesandt.

Die Energie stammt von der Sonne. Sie sendet den Sonnenwind aus, ein Plasma mit einer Dichte von ca. 5 Teilchen/cm³ und einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 500 bis 800 km/s, der bis zur Erdbahn etwa zwei bis dreieinhalb Tage unterwegs ist. Die größten Sonnenwindausbrüche geschehen durch magnetische Rekonnexionen im Bereich von Sonnenflecken während der turbulenten, fleckenreichen Phase des Sonnenzyklus. Sonnenwindteilchen treffen auf die irdische Magnetosphäre und treten mit ihr in Wechselwirkung.

Die auftreffenden Sonnenwindpartikel stauchen die Erdmagnetosphäre auf der sonnenzugewandten Seite und ziehen sie auf der abgewandten Seite zu einem langen Schweif aus. Aufgrund ihrer Ladung werden die Sonnenwindpartikel hauptsächlich längs der Richtung des Erdmagnetfeldes abgelenkt und umströmen die irdische Magnetosphäre, die die darunterliegende Biosphäre vor dem Sonnenwind schützt. Dabei wird die Magnetosphäre durch den unsteten Sonnenwind fortlaufend bewegt. Durch die Bewegung des Magnetfeldes gegenüber den geladenen Teilchen werden darin Ströme induziert. Die größten Energiefreisetzungen geschehen durch magnetische Rekonnexionen im Schweifbereich der irdischen Magnetosphäre. Innerhalb der irdischen Magnetosphäre findet sich daher 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. Wenn die Plasmateilchen bis in die Atmosphäre herunterströmen, regen sie bei Kollisionen die verdünnten Gase in hohen Schichten der Atmosphäre an. Diese emittieren beim Abfallen der Erregung ein Fluoreszenzlicht.

Das rote Licht entsteht in über 200 km Höhe. Das grüne Licht wird von Partikeln höherer Energie erzeugt, die dementsprechend tiefer in die Atmosphäre eindringen, bis in 90 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.

Quellen

• Birgit Schlegel, Kristian Schlegel: Polarlichter zwischen Wunder und Wirklichkeit. Kulturgeschichte und Physik einer Himmelserscheinung. Spektrum (Springer), Heidelberg 2011, ISBN 978-3-8274-2880-6.