Polarlicht

Polarlicht auf Island

Polarlicht bei Vadsø, Nord-Norwegen

Das Polarlicht (als Nordlicht am Nordpol wissenschaftlich Aurora borealis, als Südlicht am Südpol Aurora australis) ist eine Leuchterscheinung (genauer ein 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 zu sehen, die üblicherweise ab ca. 66,5° nördlicher Breite bzw. südlicher Breite auftreten (die genaue Lage variiert allerdings in Abhängigkeit von Jahreszeit und Stärke der Sonnenaktivität); direkt an den Polen sind sie selten.

Entstehung

Eintritt von Magnetosphärenplasmapartikeln über die polaren Trichter

Polarlichter auf dem Saturn

Polarlicht aus dem All aufgenommen

Polarlichter entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen 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.

Die Energie stammt ursprünglich aus Emissionen der Sonne. Sie sendet ein elektrisch geladenes Plasma mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von ca. 500 bis 833 km/s (bis zu 3.000.000 km/h) 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, die 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 Floureszenzlicht.

Auftreten

Polarlichter treten hauptsächlich in den Polarregionen auf, wo die Feldlinien die Atmosphäre durchdringen. Sie kommen sowohl in nördlichen Breiten vor (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. 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

Datei:Polarlicht 20131008 2.jpg

Polarlicht am 8. Oktober 2013 über Berlin

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. 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 Erdbahn 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. 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. Das häufigste grüne Licht (630 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 (557,7 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. 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 Valance-Jones Classification 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

Historisches

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

Der möglicherweise früheste datierbare Bericht über Polarlichter findet sich in einer über 2500 Jahre alten babylonischen Keilschrift. Sie berichtet von einem ungewöhnlichen roten Leuchten am Nachthimmel, welches präzise auf die Nacht vom 12. auf den 13. März im Jahr 567 vor Christi datiert ist.

Im 18. Jahrhundert wurden dann 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.

Historische wissenschaftliche Theorien

Eine viele Jahrzehnte lang aufrechterhaltene und immernoch verbreitete moderne Theorie besagt, sie 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 übersimplifizierend 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.

Mythologie

Vor oder außerhalb der wissenschaftlichen Erklärungen bestanden zahlreiche mythologische Erklärungen.

Verschiedene Kulturen im Norden Amerikas, Europas und Asiens sahen in ihnen Aktivitäten von Göttern und Geistern, sowohl in Form von Kämpfen oder Tänzen, aber auch als Mitteilungen an die Menschen. 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. Die in den Breiten Mitteleuropas meistens (blut-)rote Farbe könnte zu dieser Ansicht beigetragen haben.

Bei den Wikingern wurde in den Polarlichtern das Zeichen gesehen, 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 entstand das Nordlicht als Spiegelungen des Mondlichts auf ihren schimmernden Rüstungen oder Schilden.

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.

Bei den Inuit findet sich die Auffassung, die Lichter seien eine Bücke ins Jenseits, die von Fackeln der Toten beleuchtet wird, um frisch gestorbenen Orientierung zu bieten. Die Wikinger sollen sie als Zeichen oder Reflexionen von großen Schlachten gedeutet haben.

Einfluss auf technische Einrichtungen

Polarlicht, das durch eine Nuklearwaffenexplosion (Starfish Prime) hervorgerufen wurde

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. Funkamateure nutzen diesen Effekt im Amateurfunkdienst, um die Reichweite ihrer Signale zu erhöhen. Da aber die reflektierten Signale in den Sender- und Empfängergeräten den Funkverkehr stören, werden die Verbindungen oft in der Betriebsart Morsetelegrafie (CW, A1A) aufgebaut.

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.

Siehe auch

• Lorentzkraft
• Van-Allen-Gürtel

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.
• Datensammlung zur Polarlicht-Vorhersage für Deutschland
• Polarlichter in Deutschland aus der Vergangenheit
• Lehrvideo der Universität Oslo (engl.)
• Vorhersage der Polarlichter der Universität von Alaska in Fairbanks
• Polarlicht-Chronik Mitteleuropa, 18. - 24. Sonnenfleckenzyklus
• AuroraMAX Live Canadian Space Agency