Polarlichter (engl. aurora)

Zuallererst kurz zur Namengebung. Viele haben vielleicht die Bezeichnung Nordlicht bereits einmal gehört. Ich werde aber immer von Polarlicht sprechen. Der Name "Nordlicht" ist nämlich etwas einseitig, da es auch in der Nähe des Südpoles gleichartige Leuchterscheinungen gibt. Im englischen wird im übrigen der Begriff Aurora benutzt.



Entstehung
Um die Entstehung von Polarlichtern zu begreifen, muss man zuerst verstanden haben was der Sonnenwind und die Erdmagnetosphäre sind.

Der Sonnenwind hat seinen Ursprung, wie schon sein Name verrät, auf der Sonne, genauer gesagt in der Sonnenkorona, der äussersten Sonnenhülle. Dort birst bei ein bis zwei Millionen Grad Hitze die Hülle von Wasserstoff-Atomen, so dass diese in Elektronen und Protonen zerstieben. Genau wie die Wärme und das Licht werden auch diese elektrisch geladenen Teilchen von der Sonne abgestrahlt. Der Sonnenwind jagt nun mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 800 km pro Sekunde in alle Richtungen von der Sonne weg in den Weltraum. Mit dieser Geschwindigkeit benötigen die Sonnenwindteilchen gut drei Tage um die 150 Millionen Kilometer von der Sonne zur Erde zurückzulegen.

Die Erdmagnetosphäre entspricht im wesentlichen einem normalen Dipolmagnetfeld. Ein solches möchte ich anhand eines Versuches erklären. Vielleicht kennen einige von euch den Versuch den ich zeige bereits aus dem Physikunterricht, ich möchte ihn aber für die übrigen trotzdem noch einmal durchführen.

(Versuch: Man benötigt dazu einen Magnetstab und Metallspäne, wahrscheinlich bei jedem Physiklehrer erhältlich. Der Versuch ist als Veranschaulichung eines Dipolmagnetfelds gedacht und kann auch ohne weiteres weggelassen werden)

Das Erdmagnetfeld entsteht zwar nicht durch einen riesigen Stabmagneten der in der Erde steckt, sondern durch Strömungsvorgänge im flüssigen Erdinnern, das Bild der Magnetfeldlinien ist denen eines Stabmagneten aber sehr ähnlich. Man sollte an dieser Stelle noch erwähnen, dass die Dipolachse nicht mit der Rotationsachse der Erde zusammenfällt, d.h. die geographischen Pole entsprechen nicht genau den magnetischen.

Durch den vorhin erwähnten Sonnenwind sieht die Magnetosphäre jetzt aber nicht so aus, wie wir es im Experiment gesehen haben, sondern entspricht etwa dieser Skizze:

(Folie: Schematische Darstellung der Erdmagnetosphäre aus dem Buch \"Vom Regenbogen zum Polarlicht\" (siehe Literaturverzeichnis))

Auf der Tagseite der Erde wird die Magnetosphäre vom Sonnenwind zusammengepresst und dieser an der sogenannten Bugstosswelle stark abgebremst. Auf der Nachtseite werden die Magnetfeldlinien wie ein Schweif mehrere Millionen Kilometer in den Weltraum hinausgezogen. Da die Sonnenwindteilchen nicht direkt quer zu den Magnetfeldlinien in den vorderen Teil der Magnetosphäre eindringen können, umfliessen sie diesen wie Wasser einen Stein im Fluss. Beim vorbeiströmen am Schweif können sie jedoch, aufgrund komplizierter Turbulenzen in der Magnetosphäre, in diese einsickern. Dies führt uns nun zu der eigentlichen Entstehung von Polarlichtern.
Die eingedrungenen Sonnenwindteilchen sammeln sich im zentralen Bereich des Schweifs, in der sogenannten Plasmaschicht. Diese ist durch Magnetfeldlinien mit polnahen Gebieten der Erde verbunden. Durch den Einfluss des vorbeiströmenden Sonnenwindes werden die gesammelten Teilchen nun entlang dieser Feldlinien zur Erde hin beschleunigt, treten dort in die Atmosphäre ein und verursachen Polarlicht.


Die Lichtentstehung
Die aus der Magnetosphäre in die Atmosphäre eindringenden Sonnenenwindteilchen stossen mit Luftbestandteilen, das heisst mit Atomen und Molekülen, zusammen. Dadurch werden diese angeregt d.h. durch den Zusammenstoss wird ein äusseres Elektron auf eine höhere Bahn gehoben, wie hier an einem Sauerstoffatom dargestellt. Beim zurückfallen des Atoms in den Grundzustand wird die aufgenommene Energie in Form von Licht abgestrahlt. Da die Luftbestandteile von denen hier die Rede ist oberhalb von 100 km existieren, kommen auch die Polarlichter in jenen Höhen vor. Von der Art des angeregten Atoms oder Moleküls hängt nun die Farbe des abgestrahlten Lichts ab: Sauerstoffatome senden grünes und rotes Licht aus, Stickstoffmoleküle überwiegend blaues und violettes. Da das von den Sauerstoffatomen abgestrahlte Licht stärker ist, herrscht bei Polarlichtern häufig ein grüner Farbton vor. Dabei ist das grüne Licht auf einer Höhe von 120-140 km am stärksten, das rote meist erst oberhalb von 200km.