Wie entsteht das Polarlicht?

Polarlichter – seit 2.000 Jahren beobachtet, noch immer unvollständig enträtselt

Schriftliche Aufzeichnungen über Polarlichter finden sich bereits seit Beginn unserer Zeitrechnung. Vor 2.000 Jahren galten sie, wie Kometen, als Unheilverkünder, göttliche Orakel oder Geisterbotschaften an die Bewohner der Erde. Möglicherweise sind die nordischen Überlieferungen deshalb so negativ belastet, weil in Mitteleuropa fast ausschließlich Polarlicht von blutroter Farbe beobachtet wurden. Erst im 19. Jahrhundert stellte Edmond Halley einen Zusammenhang mit dem Erdmagnetfeld fest. Über die Sonne und Sonnenaktivitäten war bis dorthin noch immer sehr wenig bekannt.

Dass die Erscheinungen in der Erdatmosphäre von selbstleuchtenden Gasen hervorgerufen werden, fand 1867 der Schwede Anders Jonas Ångström heraus. Sonnenwind als weitreichende Sonnenaktivität und Verursacher des Leuchtphänomens entdeckte erst 1959 eine sowjetische Sondenmission. Auch über 50 Jahre später rätseln die Wissenschaftler weiter über die Entstehung der Polarlichter sowie den Ablauf vom Auftreffen auf das Erdmagnetfeld bis zum Leuchten in der Atmosphäre. Vorhersagemodelle, die beispielsweise im Januar 2012 Polarlichter weltweit ankündigten, berechnen inzwischen die Partikel »reise« von der Sonne bis zur Erde sehr genau.

Polarlichter durch Sonnenpartikel in der Erdatmosphäre

Unser Erdmagnetfeld ist ein starker Schutz gegen die Teilchen, die bei starken Sonnenaktivitäten ins All geschleudert werden. Doch einige Partikel durchdringen mit Geschwindigkeiten von 500 bis reichlich 800 m/s (Maximum: 3 Millionen Stundenkilometer) an den magnetischen Polen den Schutzschild der Erde und regen die Gase in den hohen Atmosphäreschichten zum Leuchten an. Eine Gefahr geht von den Polarlichtern für unser Leben nicht aus, doch gelegentlich für technische Instrumente. 2003 zerstörte der besonders starke »Halloween-Sonnensturm« Satelliten, Stromnetze und gefährdete Fluglinien. Diese Erfahrung, gepaart mit noch immer lückenhaften Forschungsergebnissen über die Sonne und ihre Energiequelle, schürt die Mediendiskussionen über mögliche bevorstehende Gefahren.

Entstehung von Polarlichtern

Polarlichter entstehen durch geladene Teilchen, die von der Sonne in Richtung Erde geschleudert werden, dem sogenannten Sonnenwind. Normalerweise erreicht dieser Teilchenstrom bei einer Geschwindigkeit von ca. 400 km pro Sekunde innerhalb von zwei bis drei Tagen die Erde.

Dort trifft er auf das Erdmagnetfeld, das uns in unseren Breitengraden vor diesem Teilchenbeschuss schützt. Ein Teil des Sonnenwindes wird jedoch entlang der Feldlinien des irdischen Magnetfeldes zu den Polarregionen geleitet und trifft dort in über 100 Kilometer Höhe auf die äußeren Schichten der Atmosphäre. Ähnlich dem Gas in einer Leuchtstoffröhre werden die dort vorhandenen Gasatome zum Leuchten angeregt.

Bei Sonneneruptionen werden jedoch viel größere Teilchenmengen mit bis zu 2500 km pro Sekunde ins All geschleudert. Erfolgt dieser sogenannte coronale Massenauswurf (CME) in Richtung Erde, erreicht uns diese Schockfront schon nach wenigen Stunden. (Aus diesem Grund ist eine längerfristige Vorhersage von Polarlicht auch nicht möglich !) Eine sehr schöne Darstellung eines solchen Auswurfes findet sich auf folgendem Bild:

Zusätzlich bewegt sich ein solcher Auswurf in einem Magnetfeld (interplanetares Magnetfeld – IMF).  Dieses Magnetfeld geht von der Sonne aus und breitet sich spiralförmig bis zum Rand des Sonnensystems aus. Ist das IMF bei Eintreffen des CME entgegen dem Erdmagnetfeld ausgerichtet (rote Linien) , führt dies leichter zu Störungen im “Schutzmantel” der Erde, einem geomagnetischen Sturm. Dadurch können die geladenen Teilchen auch in niedrigeren Breiten die Atmosphäre erreichen und Leuchterscheinungen hervorrufen.

Unter diesen günstigen Bedingungen können Polarlichter auch über Deutschland beobachtet werden. Bei uns erscheint vor allem rotes und grünes Polarlicht. Rotes Polarlicht wird durch Sauerstoffatome in ca. 200 km Höhe hervorgerufen. Wenn der Sonnenwind in tiefere Schichten (100 km) vordringt, kann dort Sauerstoff zur Emission von grünem Licht angeregt werden.
Violettes Polarlicht, erzeugt durch Stickstoffatome, kommt bei uns praktisch nicht vor.

Aktuell verbessern sich die Bedingungen für Polarlichter schneller als erwartet: Die Sonnenaktivität unterliegt nämlich einem im Mittel 11-jährigen Zyklus (Schwankung zwischen 9 und 14 Jahren), im Laufe dessen sich das Magnetfeld der Sonne umkehrt. Während dieses Prozesses treten gehäuft Sonneneruptionen auf. Der 25.  Sonnenzyklus begann im Dezember 2019. Es wird erwartet, dass der aktuelle Zyklus bis etwa 2030 andauert. In dieser Zeit ist mit vermehrten Sonneneruptionen und somit auch Polarlichtern zu rechnen.