Posted by Daniel Reither on 29. Juli 201829. Juli 2018

Im zweiten Teil der Polarlichter-Serie wird auf den eigentlichen Entstehungsprozess dieses Naturphänomens näher eingegangen.

1.3 Das Leuchtprinzip

Atome, Moleküle oder Ionen können durch Kollisionen mit Elektronen angeregt werden. Durch die Kollisionsenergie kann ein Elektron auf eine weiter außenliegende Bahn abgelegt werden. Da dieser Energieüberschuss nur von kurzer Dauer ist, springt das Elektron wieder in seine ursprüngliche Bahn zurück. Die Energie, die das Elektron durch den Zusammenstoß erhalten hat, wird beim Zurückspringen in Form von Licht abgegeben. Dies wird auch als Lichtquant bezeichnet. Je nach emittierter Farbe, wird unterschiedlich viel Kollisionsenergie benötigt. So ist beispielsweise zur Emission von rotem Licht weniger Energie nötigt, als von blauem Licht. Beim Polarlicht sind die Gase unserer Atmosphäre für die Farbgebung verantwortlich.

Den Hauptanteil bildet hierbei das Sauerstoffatom, welches mit einer Wellenlänge von 557,7 nm das charakteristisch grüne oder rote Licht mit einer 630,0 und 634,4 nm abstrahlt. Stickstoff hingegen emittiert blaues oder violettes Licht, welches in Form von Spektralbändern vorliegt (siehe Abb.5).

Auch H-Atome strahlen rotes Licht im Bereich des Sauerstoffs und des Stickstoffs ab. Neben den Spektrallinien des sichtbaren Lichts, weißen Polarlichter sogar Linien im infraroten, ultravioletten Licht und sogar im Röntgenbereich auf.

Abbildung 5: Spektrum des Polarlichts im sichtbaren Bereich. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

1.4 Bewegung elektrisch geladener Teilchen entlang eines Magnetfeldes

Zu den elektrisch geladenen Teilchen zählen Elektronen, Protonen und Elektronen. Diese können sich nicht beliebig in einem Magnetfeld bewegen, sondern sind gezwungen sich immer in Spiralform entlang der Feldlinien zu bewegen. Diese Kreisbahn wird auch „Gyrationsradius“ genannt. Dieser verhält sich indirekt proportional zur Magnetfeldstärke. So sind die Kreise klein, in einem starken Feld und groß, in einem schwachen. Dieser Effekt spielt im gesamten Weltall eine große Rolle, da es fast ausschließlich geladene Teilchen gibt und meist ein schwaches Magnetfeld vorliegt. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Abbildung 6: Bewegung eines elektrisch geladenen Teilchens entlang einer Magnetfeldlinie. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Entstehung von Polarlichtern

In diesem Kapitel soll nun der konkrete Entstehungsprozess von Polarlichtern erläutert werden. Außerdem wird auf die einzelnen Ausprägungsformen näher eingegangen werden.

Das Polarlichtoval

Dies ist wohl der wichtigste Bereich unseres Magnetfeldes, denn nur hier können Polarlichter auftreten. Hierbei handelt es sich um ein ringförmiges Areal rund um die magnetischen Pole (sowohl Nord- als auch Südpol), dessen Durchmesser in der Regel etwa 3000- 4000 km beträgt.

Abbildung 7: Das vom NASA-Satelliten POLAR aufgenommen Bild zeigt, dass gleichzeitige Auftreten von Polarlichtern am Oval beider Pole. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Der Ring ist auf der Sonnenseite etwas dünner und ist dieser immer zugewandt. Die Erde dreht sich daher im Laufe des Tages darunter hinweg, wie in Abbildung 8 zu erkennen ist. Die Verformung wird durch den herkömmlichen Sonnenwind verursacht, dem unser Magnetfeld ständig ausgesetzt ist. Dieses Oval kann, von den zuvor erwähnten Sonnenstürmen, zusammengestaucht und verformt werden. Aus diesem Grund können Polarlichtsichtungen auch bis in den Mittelmeerraum möglich sein. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Abbildung 8: Das Polarlichtoval zu verschiedenen Tageszeigten. Die Ausrichtung relativ zur Sonne bleibt gleich. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Entstehungsprozess der Polarlichter

Wie in Kapitel 1.1 erwähnt, legt sich unser Magnetfeld schützend, in Form eines Dipols, um unsere Erde. Durch das Auftreffen des Sonnenwindes auf unsere Magnetosphäre wird diese stark Verformt. Während es auf der sonnenzugewandten Seite ein starkes zusammenpressen bewirkt, bildet sich auf der Nachtseite ein langgezogener Schweif aus. Wie in 1.4 erwähnt, können die heranströmenden Teilchen nicht einfach das Magnetfeld durchdringen, sondern sind gezwungen sich entlang der Feldlinien zu bewegen. Sie umströmen daher das gesamte Feld. Erst am Schweif können die Teilchen durch komplexe Vorgänge in des Innere des Magnetfeldes gelangen. Dies ist nur durch einen sogenannte „Feldlinienverschmelzung“ möglich, bei dem die irdischen Magnetfeldlinien in entgegengesetzter Richtung zu den interplanetaren Magnetfeldlinien verlaufen.

Die eingedrungenen Teilchen akkumulieren sich nun in Form eines Reservoirs als Plasmaschicht innerhalb der Magnetosphäre. Hier herrschen elektrische Ströme, die durch den Sonnenwind und dem Magnetfeld verursacht werden. Diese beschleunigen nun Elektronen die entlang von Spiralbahnen auf die Erde einströmen („heiße Elektronen“). Nur die Feldlinien der Pole reichen nahe genug in die Plasmaschicht hinaus, um die Teilchen aufzunehmen (Polarlichtoval). Diese treffen schließlich auf die Gasteilchen der Erdatmosphäre und regen diese zum Leuchten an, welches in einem Polarlicht resultiert.

Es sind also nicht die „kalten Elektronen“ des Sonnenwindes die das Polarlicht verursachen. Vielmehr steuert die Stärke des Windes den Dynamoeffekt der die Teilchen in der Plasmaschicht beschleunigt. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Abbildung 9: Die kalten Elektronen strömen um das Magnetfeld der Erde. Erst am Schweif dringen diese ein, werden beschleunigt und bewegen sich innerhalb der Plasmaschicht, auf Spiralbahnen, in Richtung Erde. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Das Protonenpolarlicht

Das Protonenpolarlicht stellt eine Sonderform des Polarlichtes dar. Bei manchen Sonneneruptionen können besonders energiereiche Protonen aus der Sonnenkorona herausgeschleudert werden. Diese bewegen sich entlang des Erdmagnetfeldes auf die Pole zu, ohne dabei den Umweg über den Magnetosphärenschweif zu nehmen. Hier wird bereits in großer Höhe hauptsächlich der Wasserstoff zum Leuchten angeregt. Dies ist meist jedoch sehr schwach und ohne Struktur. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Formen und Farben

Bei den Polarlichtern können, wie bereits erwähnt, nicht nur verschiedenste Farbvarianten, sondern auch unterschiedliche Formen entstehen. Die einfachste Ausprägung ist der Bogen. Er spannt sich in der Regel mehrere hundert Kilometer von West nach Ost, hat seinen Scheitelpunkt in Nordrichtung und kann über mehrere Stunden ruhig am Himmel verweilen. Nehmen die geomagnetischen Störungen zu, so verformt sich der Bogen meist zu Spirale. Zur Bildung eines Vorhangs kommt es dann, wenn mehrere Bögen mit einander verschmelzen. In ihm sind meist helle Strahlen eingebettet. Diese bilden in gewisser Weise die Feldlinien ab. Befindet man sich direkt unter diesem Vorhang, so nennt sich diese Erscheinung Corona. Hier scheinen die Strahlen, durch einen perspektivischen Effekt, an einem Punkt am Himmel zusammenzulaufen.

Abbildung 10: Bei der Corona scheinen die Strahlen aus einem Punkt zu kommen. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Die Farbgebung der Polarlichter ist sehr divers und hängt stark von der Höhe ab. So treten rote Lichter hauptsächlich oberhalb von 200km auf, die grünen darunter. Dieses Phänomen resultiert aus der Gasverteilung unserer Atmosphäre und aus der Energie der einfallenden Teilchen. Haben die Elektronen eine hohe Energie, so ist es ihnen möglich tiefer in die Atmosphäre einzudringen und das grüne Licht anzuregen. Bei geringerer Energie erreichen die Elektronen nur höhere Schichten, in denen das rote Polarlicht emittiert wird.

Abbildung 11: Farbgebung in Abhängigkeit von der Höhe. (Schlegel B. & Schlegel K., 2011)

Hoffentlich hat euch diese Serie gefallen und ihr konntet wieder etwas spannendes über unseren Himmel erfahren.

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.