Polarlichter- Hexenwerk oder Naturphänomen?

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Polarlichter- Hexenwerk oder Naturphänomen?

von Mirja L.

Ich bin 17 Jahre alt und Schülerin aus Stade. Im Rahmen meines Seminarfaches „Farben und Farbstoffe“ habe ich eine Facharbeit über Polarlichter und ihre Entstehung geschrieben. Das, was ich dabei herausgefunden habe, möchte ich jetzt mit euch teilen.

Wunderschön und unerklärlich – so nehmen die meisten Menschen Polarlichter wahr. Sie tauchen plötzlich auf und verschwinden wieder. Doch was wirklich dahintersteckt, das wissen nur die Wenigsten und noch lange ist nicht alles über diese wunderlichen Erscheinungen bekannt. Zu Anfang wusste ich kaum etwas über sie und so ähnlich ging es den Menschen auch schon vor Jahrtausenden.
In ihrer Ratlosigkeit über die Entstehung von Polarlichtern kamen sie bei ihren Erklärungsversuchen zu ganz verschiedenen Ansätzen: von mysteriösen Geistererscheinungen bis zu Hiobsbotschaften war alles dabei. So viel kann ich vorweg schon mal verraten – um Geister oder Götter handelt es sich dabei nicht. Doch bis die Polarlichter tatsächlich so gründlich erforscht werden konnten, wie es heute der Fall ist, war es ein langer Weg. Seit Menschengedenken lösen die Polarlichter Faszination oder sogar Furcht bei uns aus. Es ist nicht verwunderlich, dass sich deshalb viele Mythen um diese Erscheinungen ranken. Doch mithilfe der heutigen Technik sind die Menschen nun dazu imstande, eine ganze Menge über Polarlichter herauszufinden.
Falls Ihr auch schon immer wissen wolltet was wirklich hinter diesem Phänomen steckt, werdet Ihr nun nicht mehr länger auf die Folter gespannt.

Als erstes gebe ich euch einen kleinen Überblick über die Vielfältigkeit, das Vorkommen und die Voraussetzungen, die gegeben sein müssen, damit Polarlichter entstehen können.
Polarlichter – woher haben die eigentlich ihren Namen?

Diese Frage ist ganz einfach zu beantworten: am Häufigsten können Polarlichter in den Polarregionen gesichtet werden und man unterscheidet zwischen Nord- und Südlichtern. In der Fachsprache werden diese aurora borealis und aurora australis genannt. Nordlichter tauchen überwiegend am Himmel über Island, Grönland, Skandinavien, Kanada, Alaska und dem Norden Sibiriens sowie Nordschottland auf. Südlichter hingegen sind in Südgeorgien, auf den Falklandinseln, der Antarktis, den Stewartinseln, einigen Inseln Australiens und dem Süden Argentiniens zu beobachten. Über diesen Ländern befindet sich das Polarlichtoval, ein ringförmiges Gebiet um die geomagnetischen Dipolachsen, wo man fast in jeder Nacht Polarlichter beobachten kann. Das Polarlichtoval wird später bei der physikalischen Erläuterung noch einmal wichtig.

Am Häufigsten sind Polarlichter grün, rot oder blau, jedoch können auch Mischfarben wie orange, gelb, violett oder weiß entstehen. Außerdem sind sie meistens in einer Höhe von 100 bis 200 km zu finden. Die Helligkeit der Leuchterscheinungen ist von Polarlicht zu Polarlicht unterschiedlich, weshalb Forscher sie nach ihrer Helligkeit abstufen. Die Klassifikationen reichen von der Milchstraßen- bis zur Vollmondhelligkeit. Doch nicht nur die Helligkeit kann variieren, auch die Form kann durchaus verschieden sein. Die vier Hauptkategorien nennt man Bögen, Band, Vorhang und Korona. Die Form Korona bezeichnet ein Polarlicht, das einen strahlenartigen Aufbau hat, wobei die Strahlen von einem gemeinsamen Punkt ausgehen. Eine genauere Einteilung der verschiedenen Formen wurde mit der Valance-Jones Classification unternommen.

Dass in Wirklichkeit keine Hexerei hinter diesem Phänomen steckt, habe ich euch ja bereits verraten. Aber steckt dann hinter dieser rätselhaften Erscheinung? Für die Entstehung von Polarlichtern sind zum einen die Magnetosphäre der Erde und zum anderen der Sonnenwind unerlässlich. Damit ihr euch erstmal einen Überblick verschaffen könnt, erkläre ich euch beides einzeln.

Die Sonne sendet ständig einen Strom aus geladenen Teilchen ins Weltall aus. Dieser Strom besteht aus Elektronen, Protonen und Helium-Atomkernen und wird Sonnenwind genannt. Dadurch, dass die Sonne so heiß ist, dehnt sie sich stark aus und die Gravitation (Anziehung) der Sonne nicht genügt, um alle Teilchen beisammen zu halten. Die Sonne hat eine Außentemperatur von 5500 Grad Celsius. Damit ist es auf der Sonne 250 Mal heißer, als hier auf der Erde, wenn wir angenehme 22 Grad Celsius haben. Der Sonnenwind füllt das gesamte Sonnensystem aus und benötigt bis zur Erde ein wenig mehr als 4 Tage bei einer Geschwindigkeit von ca. 300-800 Kilometer pro Sekunde.
Hinweise auf eine besonders starke Sonnenaktivität sind Sonnenflecken. Das sind kühlere Stellen auf der Sonnenoberfläche (Photosphäre), die auf Bildern als schwarze Flecken erkennbar sind.

Auf diesem Bild sind Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche zu sehen und ihr könnt vergleichen, wie groß die Sonnenflecken im Gegensatz zur Erde sind. (Bild: NASA, Geof, GFDL 1.2)

Sonnenflecken können vereinzelt oder auch in Grüppchen auftreten und für einen Zeitraum von wenigen Stunden bis zu 2 Monaten zu sehen sein. Sie haben eine Größe, die zwischen 1500-50000 Kilometern variieren kann. Alle elf Jahre erreicht die Sonne ein Maximum an Sonnenflecken; diesen Zyklus nennt man Schwabe-Zyklus. Das bedeutet, dass es alle elf Jahre eine besonders hohe Sonnenaktivität gibt. Auffällig ist, dass sich Sonnenflecken in der Nähe des Äquators schneller drehen, als die in den Polregionen. Dadurch konnten auch Wissenschaftler zum ersten Mal erklären, wie diese Sonnenflecken überhaupt entstehen. Von einem Pol der Sonne zum anderen Pol verlaufen Magnetfeldlinien und diese werden durch die Geschwindigkeitsunterschiede verbogen, sodass sie letztendlich übereinander liegen. Die verschnürten Magnetfeldlinien steigen an die Oberfläche, lösen sich mitsamt Inhalt ab und hinterlassen somit auf der Sonne die dunklen Sonnenflecken.
Wenn ihr also gerne einmal im echten Leben Polarlichter sehen wollt dann verbessert ihr eure Chancen, wenn ihr bei hoher Sonnenaktivität nach den Polarlichtern Ausschau haltet. Allerdings ist die bisherige Sonnenaktivität in diesem Schwabezyklus noch nicht besonders stark gewesen. Trotzdem könnt ihr in den Regionen, über denen das Polarlichtoval liegt, besonders im Winter gut Polarlichter beobachten.
Aber nun genug mit Reisetipps und zurück zum Thema! Die Elektronen, Protonen und das Helium des Sonnenwindes bezeichnet man zusammen auch als Plasma. Wenn das Plasma das Magnetfeld der Sonne verlässt, nimmt es wie oben beschrieben einen Teil davon mit. Man sagt, das Magnetfeld ist im Plasma „eingefroren“. Die Bezeichnung dafür lautet „interplanetares Magnetfeld“ (IMF), denn Sonnenmagnetfeld und Sonnenwindplasma sind untrennbar aneinander gebunden und können sich nicht ohne weiteres voneinander lösen.
Jetzt, da ihr über den Sonnenwind Bescheid wisst, ist es Zeit für das Erdmagnetfeld: Das Erdmagnetfeld ist wie das Magnetfeld eines Stabmagneten aufgebaut, dessen Südpol in der Nähe des geografischen Nordpols liegt und dessen Nordpol sich ungefähr beim geografischen Südpol befindet.
Wie kommt das Erdmagnetfeld überhaupt zustande?
Das Erdmagnetfeld verdankt seine Existenz zu ca. 95% den Eisenströmen im flüssigen, äußeren Erdkern. Diese entstehen durch die Rotation der Erde und weitere Kräfte. Die restlichen 5%, die eine Rolle bei der Aufrechterhaltung des Erdmagnetfelds spielen, sind elektrische Ströme der Ionosphäre und der Magnetosphäre, die die Erde umgeben. In der Ionosphäre befindet sich eine große Zahl an Ionen und Elektronen, die für Leitfähigkeit sorgen. Die Magnetosphäre dient der Erde als eine Art Schutzschild vor Sonneneinflüssen. Die nordwärts gerichteten Feldlinien münden in zwei Polarlichtovalen rund um die geomagnetischen Polachsen, die zwischen 200 und 1000 Kilometer breit sind.

Damit ihr euch das ganze etwas besser vorstellen könnt, habe ich hier eine Abbildung zum Erdmagnetfeld für euch. (Bild: Geek3, CC-BY-SA 3.0)

Doch in Wirklichkeit sieht das Magnetfeld der Erde auf beiden Seiten nicht gleich aus, wie es auf der Abbildung aussieht, denn es wird durch den Einfluss der Sonne deformiert. Die Energie, die von der Sonne auf die Magnetosphäre trifft, bewirkt eine Verformung des Magnetfeldes auf der sonnenzugewandten Seite. Auf der anderen Seite bildet sich der Magnetosphärenschweif.
Innerhalb des Magnetosphärenschweifs liegt eine Plasmaschicht, in der eine Menge Teilchen aufgenommen werden kann, die durch äußere Umstände in die Magnetosphäre eindringen.
Allerdings wird der Großteil der Teilchen durch eine bestimmte Zone der Erde abgefangen und um die Erde herumgeleitet. Diese gürtelförmige Zone, wird Van-Allen-Gürtel genannt und befindet sich in einer Höhe von bis zu 45000 km. Das bedeutet, dass nicht alle von der Sonne ausgesandten Teilchen in die Erdatmosphäre eindringen. Damit aber ein Polarlicht entstehen kann, müssen die Teilchen des Sonnenwindes in die Erdatmosphäre eindringen. Das geschieht bei der Verschmelzung des IMF mit den Magnetfeldlinien der Erde, was unter besonderen Umständen möglich ist.
Jetzt finden eine Menge komplizierte, physikalische Vorgänge in der Erdatmosphäre statt und es läuft darauf hinaus, dass im Polarlichtoval Elektronen vorhanden sind, die für die Entstehung der Polarlichter sorgen.
Aber wie genau entstehen denn jetzt die Leuchterscheinungen?
Die Elektronen, Protonen und einige Ionen (Sauerstoff- und Stickstoffionen), die von der Sonne aus kommen und sich im Polarlichtoval befinden, prallen mit Teilchen zusammen. Der Aufprall befördert Elektronen in den Teilchen auf ein höheres Energieniveau. Dieser angeregte Zustand ist allerdings sehr instabil. Beim Zurückfallen in den ursprünglichen Zustand gibt das Teilchen Licht in Form von Energie ab, das wir dann am Himmel sehen können.
Die Farbe wird von den Atomen bestimmt, auf welche die beschleunigten Elektronen treffen, und in welcher Höhe sie sich befinden. Bei starken Sonnenwinden können Stickstoffatome angeregt werden, wozu eine Menge Energie nötig ist. Auch Wasserstoff- und Heliumatome können angeregt werden. Nicht immer ist dieses Licht aber für das menschliche Auge zu erkennen.

In dieser Tabelle habe ich euch alle Werte aufgelistet, die ich bezüglich der Entstehung der verschiedenen Farben herausgefunden habe.

Wie ihr erkennen könnt, entstehen durch die Anregung von Sauerstoffatomen zwei verschiedene Farben. Es wird grün-gelbliches Licht ausgesendet, wenn die Elektronen von dem zweiten in den ersten angeregten Zustand zurückfallen. Dieser Vorgang dauert ca. 1 Sekunde. Wenn die Elektronen aber vom ersten in den Ausgangszustand zurückfallen, wird rotes Licht ausgesendet. Allerdings dauert dieser Vorgang ungefähr 2 Minuten und in dieser Zeit darf es auch keine weiteren Zusammenstöße mit anderen Teilchen geben. Aus diesem Grund entstehen rote Polarlichter erst ab einer Höhe von 200 km über der Erdoberfläche. Wenn es eine Farbmischung durch abgegebenes Licht von Stickstoffatomen und Sauerstoffatomen gibt, dann kann ein Polarlicht sogar orange aussehen. Auf diese Art und Weise treten auch andere Mischfarben auf.
Und nun komme ich noch einmal auf die Mythen über Polarlichter zurück. Steckt hinter manchen Vermutungen vielleicht doch ein Funken Wahrheit und Polarlichter Kündigen Unheil an? Ganz genau kann man das nicht sagen, jedoch ist bewiesen, dass Polarlichter durchaus zu Störungen im Funkverkehr und bei der Energieversorgung führen können. Wegen den Strömen in der Atmosphäre, die bei der Entstehung von Polarlichtern ablaufen, sind auch Satelliten gefährdet.
Wenn ihr das nächste Mal ein Polarlicht seht dann wisst ihr jetzt genau, wie sie entstehen und was wirklich dahinter steckt. Falls ihr jetzt neugierig geworden seid und gerne noch mehr über die Ströme in der Erdatmosphäre erfahren möchtet, empfehle ich euch diese Website: https://physik.wissenstexte.de/polarlicht.html. Ich wünsche euch viel Freude mit eurem neuen Wissen!