Die Entstehung von Polarlichtern – Teil 1

In einen vergangenen Beitrag haben wir uns mit der Fotografie von Polarlichtern näher befasst. Doch wie entstehen diese Phänomene eigentlich? Dieser Frage werden wir in den nächsten Artikeln etwas näher auf den Grund gehen.

Um die Entstehung von Polarlichtern besser verstehen zu können, müssen zuerst bestimmte Grundlagen Erwähnung finden. Denn nur durch eine Verkettung verschiedenster Chemisch- physikalischer Vorgängen, können diese Naturerscheinungen entstehen.

 

 Einfluss der Ionosphäre und Magnetosphäre

 

Wie bereits bekannt, wird die Erde von einem Magnetfeld umgeben, welches durch ein dynamoelektisches Prinzip, im Erdinneren, erzeugt wird. Es wird auch als Dipolfeld bezeichnet, da es einen Nord- und einen Südpol aufweist, ähnelt es von der Ausrichtung her einem Stabmagneten. Allerdings enthält es auch Anteile höherer Ordnung, die auch als Multipole bezeichnet werden. Die magnetischen Pole fallen nicht auf die geografischen Pole zusammen, denn die magnetische N-S-Achse ist in etwa um 11° gegen die Rotationsachse der Erde geneigt.

Durch Strömungen die in der Ionosphäre und Magnetosphäre verursacht werden, wird ein wesentlich schwächeres Magnetfeld erzeugt, welches das Erdmagnetfeld überlagert. Dies kann in seiner Intensität stark schwanken und hat großen Einfluss auf die Entstehung von Polarlichtern.

 

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Erdmagnetfeldes. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

 

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Polarlichtentstehung ist die Ionosphäre. Sie beginnt in etwa in 90km Höhe und ist ein Teil der Thermosphäre. Hier herrscht eine hohe Gasdichte vor, an der der Großteil aller eintreffenden Röntgenstrahlen absorbiert werden. Außerdem steigt die Temperatur in dieser Schicht enorm an. Dies würde man, auf Grund geringer Dichte und Druck, nicht wahrnehmen.

 

Abbildung 2: Das Diagramm verdeutlicht den Temperaturanstieg ab einer Höhe von ca. 100km. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

 

In der Ionosphäre werden Bestandteile der Luft durch kurzwellige Sonnenstrahlen ionisiert. Bei diesem Vorgang werden den Atomen und Molekülen Elektronen entrissen. Die Luft wird zu einem Plasma, welches aus Ionen, Elektronen und andern neutralen Molekülen besteht.

Auf Grund dieses Vorgangs kann in 90km Höhe elektrischer Strom fließen. Die Zusammensetzung der Ionosphäre entspricht nicht der, der normalen Atmosphäre. Hier dominieren vor allem positive Ionen des Sauerstoffmoleküls (O2+), des Stickoxids (NO+) und des reinen Sauerstoffs (O+). Die Bedeutung dieser Schicht, wird später noch einmal genauer verdeutlicht. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

 

 Die Sonne als Auslöser

 

Eine entscheidende Rolle in der Polarlichtentstehung spielt unsere Sonne. Ihr Radius beträgt fast das 100-Fache der Erde und sie ist fast 1000 Mal so schwer wie alle Planteten unseres Sonnensystems zusammen.

Im Inneren befindet sich der Kern, wo durch Kernfusion, Wasserstoff in Helium umgewandelt wird. Hier beträgt die Temperatur etwa 15 Millionen Kelvin. Nach der ruhigen Zone des Strahlungstransportes, in der Lichtteilchen nach außen transportiert werden, befindet sich die Konvektionszone. Hier findet ein ständiger Austausch von heißem und kühlem Gas statt, welches das charakteristische brodelnde Erscheinungsbild verursacht. Die sichtbare Oberfläche bildet die Photosphäre aus. Sie besteht aus einer Gasschicht die viel dünner ist als die der Atmosphäre der Erde. Die Temperatur beträgt dort nur mehr ca. 6000 Kelvin. Hier entstehen auch die charakteristischen Sonnenflecken, die Regionen mit intensiven Magnetfeldern anzeigen. Hier beträgt die Temperatur lediglich 4000 Kelvin. Die letzte Schicht der Sonnenatmosphäre stellt die sogenannte Korona dar. Diese reicht mehrere Millionen Kilometer über die sichtbare Sonnenoberfläche hinaus. Dort herrschen wieder Temperaturen um 1 Million Kelvin.

Besonderes Augenmerk soll auf die Sonnenflecken gelegt werden. Sie spielen eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von Polarlichtern. Diese Flecken sind Gebiete der Sonne mit starken Magnetfeldern. Hier findet praktisch eine Verknotung der Feldlinien statt. Dort wo die Feldlinien senkrecht aus der Oberfläche austreten, werden die Konvektionsströme gestört und verhindern das nachfließen von frischem Plasma. (Bennett et.al., 2010)

Abbildung 3: Entstehung von Sonnenflecken. (Bennett et.al., 2010)

Eine besondere Bedeutung werden solare Flares und Sonnenprotuberanzen zugesprochen. Diese entstehen dann, wenn sich die Magnetfeldlinien der Sonnenflecken derartig verknoten, dass sich enorme Spannungen aufbauen. Diese können sich schlagartig lösen und so das umliegende Plasma auf bis zu 100 Millionen Kelvin aufheizen. Dies führt nicht nur zur Emission von Röntgenstrahlung, sondern auch zur Beschleunigung von geladenen Teilchen bis annähernd Lichtgeschwindigkeit. Trifft ein solcher Sonnensturm auf unsere Magnetosphäre, kann sich diese extrem verformen. In Folge dessen können Polarlichter sogar im Mittelmeerraum beobachtet werden. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Wie so vieles in der Natur, unterliegen auch die Sonnenflecken einem bestimmten Zyklus. Gerade am Sonnenfleckenmaximum können besonders viele Polarlichter beobachtet werden. Ein solcher Zyklus dauert ca. 11 Jahre. Die Ursachen für diesen Zyklus sind bisher noch nicht gänzlich erforscht. Der Grund wird aber in der Kombination aus Sonnenrotation und den Konvektionsströmen vermutet. (Bennett et.al., 2010)

Abbildung 4:Der Sonnenzyklus gibt die mittlere Häufigkeit von Sonnenflecken an. (Bennett et.al., 2010)

Im nächsten Artikel werden wir uns mit dem Leutprinzip, der eigentlichen Entstehung und den verschiedenen Formen von Polarlichtern näher beschäftigen.

 

Clear Skies

 

Quellen:

Schlegel, B., Schlegel, K., (2011): Polarlichter zwischen Wunder und Wirklichkeit. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg. 103-170.

Bennett, J., Doahue, M., Schneider, N., Mark, V., (2010): Astronomie – Die kosmische Perspektive. Auflage 5, Pearson Deutschland GmbH, München. 699-719.