Polarlicht

Aurora Borealis und Aurora Australis sind Weiterleitungen auf diesen Artikel. Für weitere Bedeutungen siehe Aurora Borealis (Begriffsklärung), Aurora Australis (Schiff) und Polarlicht (Heraldik).

Polarlicht bei Akranes (Island)

Polarlicht bei Vadsø (Nordnorwegen)

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

Eintritt von Magnetosphären­plasma­partikeln über die polaren Trichter

Polarlichter auf dem Saturn (UV-Licht)

Polarlicht, aus dem All aufgenommen

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 gelangen die Elektronen auf ein höheres Energieniveau, fallen danach aber wieder zurück (Fluoreszenz).

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 2 bis 3½ 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.

Auftreten

Lokaler Schwerpunkt an den Polen

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). Besonders häufig treten Polarlichter in Alaska, Kanada, Finnland, Island und Norwegen auf.^[1]

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.^[2]

Auch Kernwaffentests in hohen Atmosphären-Schichten (400 km) rufen solche Phänomene hervor, wie beispielsweise der Starfish-Prime-Test der USA am 9. Juli 1962.

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 2013/14) 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.^[3] 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 2013/14 ihren letzten Höhepunkt. Laut der amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA sollten es die stärksten Polarlichter seit 50 Jahren werden.^[4] Tatsächlich fiel der aktuelle Sonnenfleckenzyklus aber schwächer als seine Vorgänger aus, wodurch die Polarlichtaktivität eher verhalten ist.

Farben

Höhenabstufung rot/grün (bei Tromsø)

Mehrfarbiges Polarlicht

Polarlichter können verschiedene Farben haben. Grünes Licht (557,7 nm Wellenlänge) herrscht meist vor,^[5] es entsteht durch Sauerstoffatome, die in gut 100 km Höhe angeregt werden. Sauerstoffatome emittieren auch rotes Licht (630,3 und 636,3 nm), was hauptsächlich in der dünneren Atmosphäre in höheren Schichten in etwa 200 km Höhe entsteht.

Angeregter ionisierter Stickstoff sendet violettes bis blaues Licht (427,8 nm und 391,4 nm) aus.^[6] 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.

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 bei geringer Intensität des Lichts 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^[7] unterteilt:

Unterschiedliche Formen

Weiterhin gibt es innerhalb der Lichter deutliche dunkle Bereiche, die sogenannte Anti-Aurora. Es sind Gebiete, in denen der Elektronenstrom in Richtung Hochatmosphäre zum Erliegen kommt. Satelliten haben in einem solchen Bereich nach oben, also weg von der Atmosphäre gerichtete Elektronenströme festgestellt.^[8]

Historisches

Polarlicht (Südlicht) an der Amundsen-Scott-Südpolstation in der Antarktis

Der möglicherweise früheste datierbare Bericht über Polarlichter findet sich in einem über 2500 Jahre alten babylonischen Keilschriftdokument. Es berichtet von einem ungewöhnlichen roten Leuchten am Nachthimmel, das präzise auf die Nacht vom 12. auf den 13. März 567 v. Chr. datiert ist.^[9]

Vor oder außerhalb der wissenschaftlichen Erklärungen bestanden zahlreiche Legenden und Sagen. Die Völker in Lappland, Sibirien und Alaska glaubten hier Zeichen ihrer Götter zu sehen, die auf diese Weise mit ihnen in Verbindung treten wollten. Die Zeichen galten oft als Vorboten für schlimme Zeiten wie Krieg, Pest, Hungersnot. Ebenfalls ein nahendes Unglück vermuteten die Samen, Skandinaviens Ureinwohner, besonders beim Aufleuchten roter Farbschleier. In ihrem Fall wurden allerdings die Toten als Auslöser vermutet, man verbot den Kindern auf die Straße zu gehen und wartete schweigend darauf, dass sich die Toten wieder zur Ruhe legten. Ebenfalls an Aktivitäten der Geister ihrer Verstorbenen glaubten die Inuit. Diese gingen jedoch davon aus, dass das Leuchten durch einen hin und her geworfenen Walross-Schädel beim Ballspielen entstand. Ebenfalls bei den Inuit fand sich die Auffassung, die Lichter seien eine Brücke ins Jenseits, die von Fackeln der Toten beleuchtet wird, um frisch Gestorbenen Orientierung zu bieten. Die indigenen Völker in Kanada meinten, dass sich ihr leuchtend in Erscheinung tretender Gott über das Wohlbefinden seiner Stämme vergewissern wollte. Eine kleine Geschichte diente den Wikingern als Erklärung. Sie sahen in den Polarlichtern das Zeichen, dass irgendwo auf der Welt eine große Schlacht geschlagen worden war. Nach ihrer Vorstellung ritten die Walküren nach jedem Gefecht über den Himmel und wählten die Helden aus, die fortan an Odins Tafel speisen sollten. Dabei spiegelte sich das Licht des Mondes auf ihren schimmernden Rüstungen und die bunten Nordlichter entstanden.^[10][11] Besonders im Mittelalter galten in Europa Polarlichter, ähnlich wie Kometen, als Vorboten kommenden Unheils (zum Beispiel Kriege, Seuchen, Hungersnöte). Mitteleuropäische Christen sollen im Mittelalter darin Vorzeichen der Apokalypse gesehen haben, was mit der in ihren Breiten häufigsten feuerroten Erscheinung zusammenhängen dürfte. Für die Maori auf der Südhalbkugel galt das in Neuseeland äußerst seltene Südlicht als Feuer, das die Ahnen auf ihrem Weg in Richtung Antarktis entzündet hatten, um sich an die warmen Tage in Neuseeland zu erinnern.

Am 2. September 1859 waren Polarlichter auf der Nordhalbkugel bis in die Tropen zu sehen. Ursache war ein durch koronalen Massenausstoß ausgelöster geomagnetischer Sturm von außergewöhnlicher Stärke.^[12] Es wird vermutet, dass eine ähnlich starke Eruption heute zu einem weltweiten Blackout führen würde.^[13]

Historische wissenschaftliche Theorien

Im 18. Jahrhundert wurden die ersten Versuche unternommen, die Entstehung von Polarlichtern wissenschaftlich zu erklären. Die Forscher gingen zunächst davon aus, dass es sich bei den Polarlichtern um Reflexionen von Sonnenlicht an Wolken oder Eiskristallen handle. Erst einige Zeit später erkannte der englische Astronom und Mathematiker Edmond Halley – wahrscheinlich als erster – den Zusammenhang zwischen dem Erdmagnetfeld und Polarlichtern. Das Leuchten konnte er aber nicht erklären. Dieses gelang erst 1867 dem schwedischen Astronom und Physiker Anders Jonas Ångström, der zeigen konnte, dass es sich bei den Polarlichtern um selbstleuchtende Gase handelt. Eine Theorie für die Ursache des Leuchtens stellte der norwegische Physiker Kristian Birkeland im Jahre 1896 auf: Er ging davon aus, dass Elektronen der Sonne das Gasgemisch der oberen Atmosphäre zum Leuchten anregen. Da die Existenz des Sonnenwindes zu dieser Zeit aber noch nicht bekannt war – dies wurde erst 1959 durch die sowjetische Sonde Lunik 1 nachgewiesen –, wurde seine Theorie jedoch häufig bezweifelt. Obwohl die Entstehung des Lichtes heute nicht mehr umstritten ist, ist noch nicht vollständig geklärt, warum an bestimmten Orten Polarlicht zu beobachten ist.

Die ersten Fotografien des Nordlichts gelangen Martin Brendel und Otto Baschin am 1. Februar 1892.

Eine viele Jahrzehnte lang aufrechterhaltene und immer noch verbreitete moderne Theorie besagt, Polarlichter entstünden durch das direkte Auftreffen geladener Teilchen des Sonnenwindes auf die Erdatmosphäre. Sonnenwindpartikel würden dabei längs der Erdmagnetfeldlinien trichterartig auf die polnahe Atmosphäre geleitet, wo die Feldlinien annähernd senkrecht die Atmosphäre durchdringen. Diese Theorie muss zumindest als stark vereinfacht angesehen werden, da sie die komplexen Prozesse zwischen der Aufnahme der Energie des Sonnenwindes bis zur Entstehung der Leuchterscheinungen unterschlägt.

In der Wissenschaft war spätestens seit Burritt (1845) der Zusammenhang zwischen den Leuchterscheinungen und Aktivitäten im Erdmagnetfeld bekannt.

Im 19. Jahrhundert wurde die Verbindung mit den Sonnenflecken bekannt.

Mitte des 19. Jahrhunderts wurde in den Anfangsjahren der Telegraphie induzierte Impulse auf den Telegraphenleitungen beobachtet.

Anfang des 20. Jahrhunderts demonstrierte Birkeland die Plausibilität einer Erklärung über Elektrizität, Plasma und die Sonnenaktivität.

Ende der 1950er Jahre wurden mit der ersten Forschungsrakete von Churchill Elektronenströme in der Atmosphäre nachgewiesen.

Einfluss auf technische Einrichtungen

Polarlicht, ausgelöst durch den Kern­waffen­test Starfish Prime (1962)

Die energiereichen, elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes, die für die Entstehung von Polarlichtern verantwortlich sind, erzeugen elektromagnetische Felder, die schädigende Auswirkungen auf elektronische Einrichtungen ausüben können. Gefährdet sind insbesondere Satelliten sowie Flugzeuge. Zur Sicherheit wird daher zu Zeiten erhöhter Polarlichtaktivität im Flugverkehr in geringerer Höhe geflogen oder es werden Flugrouten gewählt, die abseits der Polarregionen liegen.

Zudem kann es in Stromnetzen durch Induktionen zu Spannungsschwankungen kommen. So wurde beispielsweise der Stromausfall in Kanada im Jahre 1989 auf einen starken Sonnenwind zurückgeführt.

Während des Auftretens von Polarlichtern werden durch Teilreflexion auch Funkwellen oberhalb des Kurzwellenbereiches an den ionisierten Bereichen der Atmosphäre (Ionosphäre) reflektiert.^[14] Funkamateure nutzen diesen Effekt im Amateurfunkdienst, um die Reichweite ihrer Signale zu erhöhen. Da aber die von Polarlichtern herbeigeführte Reflexion der Funksignale in einer Störung und Verfälschung der Audiomodulation in charakteristischer Weise, nämlich Verbrummen und Rauheit im Ton, resultiert, werden die Verbindungen oft in der Betriebsart Morsetelegrafie (CW, A1A) durchgeführt.

Deutungen in der Fiktion

In Science-Fiction-Romanen und -Filmen wird das Phänomen der Polarlichter hin und wieder als Begleiterscheinung übernatürlicher Ereignisse als besonderer Effekt eingesetzt; so etwa in der Novelle Langoliers von Stephen King und im Film Frequency. Sie sind ein zentrales Thema des ersten Teils der His-Dark-Materials-Trilogie von Philip Pullman.

Literatur

• Birgit Schlegel, Kristian Schlegel: Polarlichter zwischen Wunder und Wirklichkeit. Kulturgeschichte und Physik einer Himmelserscheinung. Spektrum (Springer), Heidelberg 2011, ISBN 978-3-8274-2880-6. 
• Syun-Ichi Akasofu: Exploring the Secrets of the Aurora. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-0-387-45094-0.
• Schwegler, Michaela: ‚Erschröckliches Wunderzeichen‘ oder ‚natürliches Phänomenon‘? Frühneuzeitliche Wunderzeichenberichte aus der Sicht der Wissenschaft. München 2002, ISBN 3-7696-0457-1 (zu Nordlichtern S. 74–82)
• Kristian Schlegel: Vom Regenbogen zum Polarlicht – Leuchterscheinungen in der Atmosphäre. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2001, ISBN 3-8274-1174-2.
• Duncan A. Bryant: Electron acceleration in the aurora and beyond. Institute of Physics Publ., Bristol 1999, ISBN 0-7503-0533-9.
• Wiebke Schwarte: Nordlichter. Ihre Darstellung in der Wickiana. Waxmann, Münster 1999, ISBN 389-325-785-3.
• Asgeir Brekke und Truls Lynne Hansen: Nordlicht. Wissenschaft, Geschichte, Kultur., Schriftenreihe des Alta Museums, Nr. 4, Alta 1997, ISBN 978-82-7784-017-8.
• Wilfried Schröder: Das Phänomen des Polarlichts. Geschichtsschreibung, Forschungsergebnisse und Probleme. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1985, ISBN 353-408-997-9.

Weblinks

Wiktionary: Polarlicht – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Polarlicht – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Was ist ein Nordlicht? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 25. Apr. 1999.
• Lehrvideo der Universität Oslo (engl.)
• Polarlicht-Vorhersage für Deutschland
• Polarlicht-Archiv für Deutschland
• Polarlicht-Chronik Mitteleuropa, 18. – 24. Sonnenfleckenzyklus (Bis Januar 2017)
• Aurora - 30 minute forecast noaa.gov
• AuroraMAX Live Canadian Space Agency
• Polarlicht-Live-Webcams
• Polarlichter im Zeitraffer
• Menschengemachte Polarlichter

Einzelnachweise