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Polarlichtwissen

Polarlichter, eine Faszination seinesgleichen.

Das Polarlicht (als Nordlicht auf der Nordhalbkugel wissenschaftlich Aurora borealis, als Südlicht auf der Südhalbkugel Aurora australis) ist eine Leuchterscheinung durch angeregte Stickstoff- und Sauerstoffatome der Hochatmosphäre Elektrometeor), die in Polargebieten beim Auftreffen beschleunigter geladener Teilchen aus der Erdmagnetosphäre auf die Atmosphäre hervorgerufen wird. Polarlichter sind meistens in zwei etwa 3 bis 6 Breitengrade umfassenden Bändern in der Nähe der Magnetpole zu sehen.

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 ionisieren. Bei der nach kurzer Zeit wieder erfolgenden Rekombination wird Licht ausgesandt. Durch die Energieübertragung rutschen die Elektronen also eine Schale nach außen, danach aber wieder auf die ursprüngliche Schale zurück. Dabei wird elektromagnetische Strahlung emittiert, es wird Licht ausgesandt.

Die Energie stammt ursprünglich aus Emissionen der Sonne. Sie sendet ein elektrisch geladenes Plasma mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 500 bis 800 km/s und einer Dichte von ca. 5 × 106 Teilchen pro Kubikmeter aus. 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. Aufgrund des Abstandes von der Sonne zur Erde, rund 150 Millionen Kilometer, benötigt das Sonnenwindplasma bis zum Auftreffen auf die Erdmagnetosphäre zwei bis vier Tage. 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, welche die darunterliegende Biosphäre dadurch vor dem Sonnenwind schützt. Dabei wird die Magnetosphäre durch den unsteten Sonnenwind fortlaufend bewegt. Durch die Bewegung des Magnetfeldes gegenüber den geladenen Teilchen darin werden 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.



Auftreten

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).

Auch auf anderen Planeten des Sonnensystems werden diese Erscheinungen beobachtet. Voraussetzung hierfür ist, dass der Planet ein eigenes Magnetfeld und eine Atmosphäre besitzt. 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.[1]

Häufigkeit

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 2013/2014) 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.[2] 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.

Die Intensität der Polarlichter stieg seit 2007 wieder an und hatte 2013/2014 ihren letzten Höhepunkt. Laut der amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA sollten es die stärksten Polarlichter seit 50 Jahren werden.[3] Tatsächlich fiel der aktuelle Sonnenfleckenzyklus aber schwächer als seine Vorgänger aus, wodurch die Polarlichtaktivität eher verhalten ist.



Farben

Polarlichter können verschiedene Farben haben. Grünes Licht (557,7 Nanometer Wellenlänge) entsteht durch Sauerstoffatome, die in gut 100 km Höhe angeregt werden und während ihrer angeregten Zeit auf andere Teilchen treffen. Ohne Zusammenstoß emittieren Sauerstoffatome rotes Licht (630 Nanometer Wellenlänge), was hauptsächlich in der dünneren Atmosphäre in höheren Schichten in etwa 200 km Höhe auftritt. Angeregte Stickstoffatome senden auch violettes bis blaues Licht (428 Nanometer) aus. Zur Anregung von Stickstoffatomen sind jedoch sehr hohe Energien notwendig, deshalb lassen sich diese Farben nur bei starken magnetosphärischen Störungen beobachten. Wegen der hohen Empfindlichkeit des Auges für grünes Licht und der relativ hohen Konzentration von Sauerstoff werden grüne Polarlichter am häufigsten beobachtet. Außerdem existieren jeweils unsichtbare Polarlichter im Langwellen-, Ultraviolett- und Röntgen-Bereich sowie das schwarze Polarlicht, das sozusagen ein Anti-Polarlicht darstellt.

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.

Das menschliche Auge nimmt Farben in der Dunkelheit nur begrenzt wahr, die Farbwahrnehmung von Polarlichtern ist oft individuell unterschiedlich

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 [4] unterteilt:

Kürzel Englische Bezeichnung Deutsche Bezeichnung
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 Zenith-gerichtete, pulsierende Strahlen

Polarlicht Livecams

Jokkmokk

Tromsö

Quellen:

Wikipedia

Sonnen-sturm.info

Polarlicht-Vorhersage