Aurora | Polarlichter, vol. 2

Das ist meine Überarbeitung:

Polarlichter, das sind die nur schwer von den beleuchteten Nachtwolken abzugrenzenden, von der Farbe her sehr intensiven, Leuchten am Himmel. Dabei tritt es am meisten in einem Ring um einen der magnetischen Pole auf. Es heißt zwar, dass wenn man ein Phänomen erklärt, dass seine magische Wirkung verloren geht, aber ich schätze, dass das erstens ein Aberglaube ist, zweitens haben Auroren genug Magie auch nach einer Erklärung. Wie viele von euch wissen um was es sich handelt. Dann hoffe ich, dass die hübschen Bildchen wenigstens super einladend aussehen.

Verschiedenfarbige Polarlichter. Bildquelle: https://go-east.de/files/Northern-loghts_2kl-1024×684.jpg

Entstehung

Kurz gesagt entstehen Polarlichter wenn Teilchen des Sonnenwinds durch das Erdmagnetfeld in die obere Erdatmosphäre eindringt und dort mit den Teilchen der Luft wechselwirken. Es sind im Prinzip hauptsächlich zwei verschiedene geladene Teilchen, die dafür verantwortlich sind.

Beim Sonnenwind handelt es sich um energetische Teilchen, darunter Alphateilchen (Heliumkerne), freie Elektronen und Protonen und seltener auch schwerere Atomkerne von z.B. Natriumisotopen oder Stickstoffisotopen. Dieser Teilchenstrom also wird in der Korona beschleunigt und ist auf Erdhöhe um die 450 km/s schnell. Beim Aktivitätsmaximum oder bei CMEs (Koronale Massenauswürfe) kann sich die Geschwindigkeit maximal auf bis zu 1 950 km/s steigern. Der Sonnenwind ist durch diese energetischen und geladenen Teilchen für Lebensformen nicht gut. Ein Glück, dass wir unser Erdmagnetfeld haben, aber Moment mal, was war das nochmal?

Das Erdmagnetfeld ist idealisiert ein globales Dipolfeld und man kann es somit mit anderen Dauermagneten vergleichen. Es selbst entsteht durch Konvektionsströmungen im äußeren Erdkern welcher wie ein Dynamo mit dem festen inneren Erdkern funktioniert. Das EMF reicht an der Tagseite bis zu 60 Tausend Kilometer in den Raum rein, während es bei starkem Sonnenwind bis auf 36 Tsd. Kilometer heruntergebrochen wird. An der Nachseite ragt das EMF, welches mit dem Sonnenwind etwas mitgezogen wird. Der Sonnenwind mit seinen geladenen Teilchen bildet im Sonnensystem und sogar teilweise darüber hinaus ein interplanetares Magnetfeld von relativ schwacher Natur. Dieser geladener Teilchenstrom geht gegen das EMF vor und schafft es tatsächlich das EMF umzukrempeln und auf der anderen Seite mitzuziehen. Sonst wäre das EMF wie ein normales Magnetfeld eines z.B. Stabmagneten auch. Es gibt 3 „quasineutrale Taschen“, an denen das Magnetfeld sehr schwach ist, (d.h. die Flussdichte ist sehr niedrig) die eine ist im Zentrum des langen Schweifs auf der Nachtseite und die anderen zwei befinden sich viele Tausend Kilometer über den geomagnetischen Polen. Theoretisch können Sonnenwindpartikel in den Taschen verweilen und von dort aus in das Innere der Magnetosphäre gelangen.

Die hauptsächlich grünen Polarlichter. Bildquelle: https://mediafiles.reiseuhu.de/wp-content/uploads/2018/10/beste-orte-polarlichter-704×280.jpg

Auf der Nachseite sind es (überwiegend) Elektronen und werden vom Magnetfeld mit bis zu 200 keV in Richtung Ionosphäre entlang den gedachten Magnetfeldlinien beschleunigt und rasen mit der Energie in die Ionosphäre. Wegen der Feldlinienkonfiguration dringen die Elektronen nur in die Zone, wie sie weiter unten beschrieben wird. In Zeiten, in denen es viel Sonnenwind, hohe Geschwindigkeit der Partikel des Sw. und hohe Flussdichte gibt und er auch energiereich ist, verbreitert sich das Fenster, wo mögliche Polarlichtsichtungen gemacht werden können. Wenn die Teilchen auf die Teilchen der Luft treffen, dann werden die Luftteilchen auf höhere Energiezustände gebracht (angeregt). Weil der Zustand instabil ist, geht das Teilchen in einen niederenergetischeren Zustand über und dann auf den Ausgangszustand. Bei diesen zwei Vorgängen wird die Energie in Form von EM-Strahlung abgegeben. Dazu unten ebenso mehr.

An der Tagseite eher als auf der Nachtseite gehen über denselben Mechanismus Protonen in die Ionosphäre und reagieren mit dem gleichen Prinzip mit den Luftteilchen. Sie erzeugen auf der Tagseite vom „auroral oval“ ein ziemlich homogenes, aber schwaches rotes Leuchten.

So kann der Sonnenwind das Erdmagnetfeld passieren. Bildquelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bb/Structure_of_the_magnetosphere_LanguageSwitch.svg/1280px-Structure_of_the_magnetosphere_LanguageSwitch.svg.png

Formen und Auftreten

Die Polarlichter mit den Elektronen treten in einer ringförmigen Zone um die geomagnetischen Pole auf. Der Ring ist etwa 10 bis 20 Grad vom Pol entfernt und ungefähr 3 bis 6 Grad breit.
Eine Region, in der derzeit Polarlichter zu sehen sind, wird „auroral oval“ genannt. Denn statistisch betrachtet, tauchen die meisten von ihnen in den Ovalen auf, welche sich über Stunden hinweg verformen, vergrößern und später wieder schrumpfen. Bei öfters auftretenden geomagnetischen Stürmen, das sind Störungen des Erdmagnetfelds hervorgerufen durch eine Schockfront von Sonnenwindteilchen, vergrößern sich die Ovale und dringen meist in niedrigere Breiten vor.

Grün/Blaue Polarlichter. Bildquelle: http://www.auroraborealis.at/wp-content/uploads/aubo_03.jpg

Die beste Zeit Polarlichter zu beobachten ist bei der magnetischen Mitternacht, wenn also die Achse der Magnetpole zur Sonne auf der Nachtseite zeigt. Da die Achse mit der Rotationsachse um 11° geneigt ist, sollte dieser Zeitpunkt irgendwann zwischen 23 und 1 Uhr WOZ (wahre Ortszeit) liegen. Auch ist es gut für Polarlichter, wenn wir März, bzw. April, oder September, bzw. Oktober haben, vermutlich weil wir dann etwas mehr Sonnenwind von den Polen der Sonne bekommen und wohl auch wegen der dort besonders günstigen Ausrichtung des Erdmagnetfelds zum interplanetaren Magnetfeld. Auch wäre es gut, 3 bis 5 Jahre nach dem Sonnenaktivitätsmaximum, denn dann sind die CMEs und die Sonnenflecken und Instabilitäten des Sonnenmagnetfelds wieder auf etwa ekliptikale Höhe, Höhe der Ekliptik (Bahn der Erde) und in der Zeit wird wohl mehr Sonnenwind frei. Am ungünstigsten ist es im Jahr des Sonnenaktivitätsminimum sowie das Jahr danach, dort ist die geomagnetische Aktivität um etwa 30 % geringer.

  • Rote Polarlichter: Wenn atomarer Sauerstoff in großen Höhen von 200 bis 320 km vom ersten angeregten Zustand in den Ausgangszustand übergeht, dann wird rotes Licht bei einer Wellenlänge von etwa 630,0 nm ausgesandt. Das emittierte Licht braucht jeweils 107 Sekunden bis es kommt und wieder geht. Da das Auge in dem Bereich weniger empfindlich ist, sieht man das Licht eigentlich nur bei wirklich guten Bedingungen.
  • Grüne Polarlichter: Wenn atomarer Sauerstoff in weniger großen Höhen von 120 bis 140 km vom zweiten angeregten Zustand in den ersten wechseln, entsteht gelbgrünes Licht von 557,7 nm. Deshalb kann das gelbgrüne Polarlicht nach etwas weniger als einer Sekunde wieder verschwinden.
  • Blaues/Violettes Polarlicht: Hier kommt das Licht von molekularem Stickstoff an, welches Licht von einem Rekombinationsleuchten stammt. Es kommt rotes Licht, wenn sich das Stickstoffmolekül vom angeregten Zustand in den Grundzustand wieder zurückkehrt. Die Wellenlängen, die hier vorherrschen sind 391,4 nm und 427,8 nm. Das Licht ist in den tiefsten Lagen zu sehen. Wie es mit dem Stickstoff-Rot aussieht, weiß ich nicht genau, bzw. konnte es nicht näher herausfinden. Wird vielleicht noch ergänzt.
  • Dadurch können auch Rot, Grün oder Blau/Violett gemischt werden und es kommen gelbe, türkise/aquafarbige, oder purpurne Mischungen zustande kommen.
  • Auch infrarote und ultraviolette Polarlichter kommen vor, allerdings nicht auf der Erde, sondern nur auf z.B. Jupiter und Saturn.
Stickstoff-Polarlichter. Bildquelle: http://www.auroraborealis.at/wp-content/uploads/aubo_06.jpg

Vom Weltraum aus sehen die Polarlichter wie ein riesiges, hohes und langes Band aus, die sich oft mehrere Hundert Kilometer lang am Nachthimmel in dieser Polarlichtzone ein wenig gekrümmt sind und das ringförmige Band andeuten. Von der Seite betrachtet sehen sie wie Fahnen aus, die bei verschiedenen Höhen verschiedene dominierende Farben haben.

Von einem Beobachter, der auf der Erdoberfläche steht, haben Polarlichter verschiedene Formen. In Horizontnähe sehen Polarlichter meist wie diffuse Vorhänge aus. Sie haben im Gegensatz zu Wolken von der Oberfläche meistens nur sehr unscharfe Begrenzungen und sind mit dem bloßen Auge lang nicht so kräftig wie auf den Bildern. Die Polarlichter sind meist eher wie Nachtwolken, die der Mond anstrahlt, es sind größere Gefilde am Himmel als hellere Fläche zu sehen. Es gibt aber auch hellere Polarlichter, welche deutlich sichtbarer sind, farbenintensiver. Aber die ganze Pracht können bloß Kameras uns sichtbar machen, da das Auge zu träge und zu unempfindlich ist.

Es können bei Kernwaffentests in hohen Atmosphärenschichten Polarlichter entstehen, weil innerhalb einer Zündung der Kernwaffe, werden die Temperaturen dermaßen hoch und das radioaktive Material, welches auch noch Minuten danach sicher heiß ist, verursacht Ionisationen und Rekombinationen, bzw. das Rekombinationsleuchten.

Polarlichter im UV-Licht auf Jupiters Nordpol.
Polarlichter entstehen dort etwas anders als auf
der Erde. Bildquelle: https://upload.wikimedia.org/
wikipedia/commons/8/8e/Jupiter.Aurora.HST.UV.jpg

Auch der Mars, insbesondere aber Jupiter und Saturn lassen ebenfalls Polarlichter sehen, sie entstehen aber etwas anders.

Polarlichter auf dem Saturn, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop im UV-Licht, also ein Falschfarbenbild. Auf dem Saturn sind Polarlichter viel langlebiger. Bildquelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Saturn.Aurora.HST.UV-Vis.jpg

In Deutschland

Besonders während dem Maximum des elfjährigen Sonnenaktivitätszyklus und einige Monate, möglicherweise sogar wenige Jahre, ist es bei starken CMEs (Koronale Massenauswürfe) öfters der Fall, dass eher in Norddeutschland ebenso Polarlichter zu sehen sind. Norddeutschland eher, da Norddeutschland zum magnetischen Südpol näher liegt, als Süddeutschland. Traurig, aber wahr.

Mehrfarbiges Polarlicht. Bildquelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/12/Aurora2.jpg

Der Kp-Index, das ist eine Skala, um die Interaktion vom Sonnenwind und das Erdmagnetfeld zu charakterisieren, zeigt an, wie weit in den Süden bei nördlichen Polarlichtern, und umgekehrt, reichen können. Er wird über ein standardisiertes Verfahren von 13 Observatorien von der ganzen Welt aus ermittelt.

Polarlichter vorhersagen

Polarlichter vorhersagen ist wie das Wetter zu bestimmen, es geht nur sehr begrenzt. Im Falle der Polarlichter noch schwieriger, denn man kann eigentlich nur sagen, in welchem Bereich über der Erdoberfläche Polarlichter stattfinden könnten. Man kennt die Mechanismen einfach noch nicht gut genug, wo und wie man sowas gewiss vorhersagen kann. Aber da die Teilchen, die die Polarlichter auslösen, von der Sonne kommen, müssen wir uns die Sonne etwas näher anschauen. Ständig und fortlaufend entfernt sich von der Sonne mit hoher Geschwindigkeit der Sonnenwind, aber die Teilchen des Sonnenwinds werden erst in der Korona beschleunigt. Sie lösen, wie oben beschrieben, die Polarlichter aus, aber ich habe noch nicht so ganz erzählt, wie mehr Sonnenwind entstehen kann.

Mehr Sonnenwind kann durch mehr Sonnenflecken auf der Sonne in Verbindung stehen: Zwischen Sonnenflecken können Magnetfeldlinien entstehen, zwischen den beiden entstehen Ladungsdifferenziale, und Plasma aus der Sonne kann dort in Schwebe gehalten werden. Nicht selten passiert es, dass diese Magnetfeldlinien expandieren und „kurzschließen“. Dabei wird Plasma freigesetzt, was im Grunde nichts anderes als ist, als haufenweise Sonnenwind. Das nennt man auch eine Protuberanz. Sie entstehen im Stundentakt und erzeugen etwas mehr Energie als üblich. Jedoch kommt es selten vor, vielleicht fünf bis achtmal im Jahrzehnt, dass ein CME entsteht. Es ist nichts anderes, als eine riesige Protuberanz.

Protuberanzen kann man im Moment nicht vorhersagen, aber deren Röntgenblitze und Licht, welches sie erzeugen, kommt bei uns nach etwa 8 Minuten und 20 Sekunden an. Die Teilchen des Sonnenwindes selbst kommen allerdings erst nach einem Tag bei hochenergetischem Sonnenwind und nach maximal vier Tagen mit niederenergetischem Sonnenwind an. So könnte man eine Vorwarnung ein bis zwei Tage früher herausgeben, bevor möglicherweise sämtliche elektrische Systeme auf der Tagseite kaputt gehen. Schlimmer sind aber die Satelliten, sie könnten im Notfall viel schwieriger zu reparieren sein.

Quellen:

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