Farbexplosion am Nachthimmel - Polarlicht

Das Polarlicht (Aurora) ist eine Lichterscheinung, die vor allem in den Polargebieten zu sehen ist. Ursprung ist die Sonne, die mit dem Sonnenwind geladene Teilchen zur Erde schleudert. Durch das Erdmagnetfeld werden diese Richtung Nord- und Südpol abgelenkt. In der oberen Atmosphäre kollidieren die Sonnenteilchen mit Luftmolekülen, die diese zum Leuchten anregen.

Polarlichter sind manchmal auch in mittleren Breiten oder ganz selten sogar bis zu den Subtropen zu beobachten. Sie tauchen oft plötzlich auf und erscheinen sehr unterschiedlich: als flimmernde Lichter, sehr helle Lichter, aber auch ganz blasse Schleier.

Verantwortlich für die Polarlichter ist die Sonne, die ständig Plasma ins All schleudert. Diese heißen Plasmawolken bestehen aus geladenen Teilchen, den sogenannten Korpuskeln (lat. corpusculum = Körperchen), und wehen als Sonnenwind auch Richtung Erde. Dort treffen sie auf das Magnetfeld unseres Planeten und verformen es massiv.

Unsere Erde gleicht einem großen Magneten. Das liegt daran, dass der Erdkern aus den glühenden Metallen Eisen und Nickel besteht. Diese sind bis zu 5000 Grad heiß. Im äußeren Erdkern sind die Metalle geschmolzen und daher flüssig. Noch weiter innen ist der Druck so hoch, dass der innere Erdkern fest bleibt.

Stark erhitztes Eisen verliert jedoch seine Eigenschaften als Dauermagnet. Der Magnetismus resultiert vielmehr aus dem sogenannten Dynamoeffekt. Im äußeren Erdkern kommt es zu sogenannten Konvektionsströmungen. Das erhitzte eisen- und nickelhaltige Material steigt auf und gibt Wärme nach oben hin ab. Als Folge sinkt die abgekühlte Strömung wieder nach unten. Diese eisenhaltigen Strömungen induzieren Strom und das wiederum erzeugt ein Magnetfeld.

Ein ähnlicher Effekt lässt sich beobachten, wenn ein Draht in einem Magnetfeld bewegt wird. Hierbei wird Spannung und damit elektrischer Strom erzeugt. Dieser Effekt führt zu einem magnetischen Feld.

Die auftretenden Strömungsprozesse im Erdkern sind extrem kompliziert und wurden bislang auch noch nicht vollständig verstanden. Die Konvektionsströmungen werden zusätzlich verformt, weil sich auch die Erde um ihre eigene Achse dreht. Das führt dazu, dass das erzeugte Magnetfeld so ausgerichtet ist, dass es das ursprüngliche Magnetfeld unterstützt und verstärkt.

Im Bereich seines Magnetfeldes übt ein Magnet Kraft auf andere Magnete aus, zum Beispiel auf eine Kompassnadel. Ein linienartiges Muster entsteht, das die magnetischen Kräfte anzeigt. Die Linien dieses Magnetfeldes sind die sogenannten Feldlinien. In der Nähe des geographischen Südpols treten sie aus der Erde aus, verlaufen außerhalb der Erde bis zum Nordpol und verschwinden dort wieder in der Erde.

Die magnetischen Pole der Erde fallen nicht mit den geographischen Polen zusammen, beide Polarten liegen jedoch so nahe beieinander, dass ein Kompass auf der Erdoberfläche sich in Richtung Nord ausrichtet. Der magnetische Südpol befindet sich dabei in der Nähe des geographischen Nordpols.

Das gesamte die Erde umgebende Magnetfeld nennt man Magnetosphäre. Es schützt uns zusammen mit der Atmosphäre vor Gefahren aus dem Weltraum, unter anderem vor dem Sonnenwind. Wie eine Kapsel leitet das Erdmagnetfeld die geladenen Teilchen um, sodass sie an der Erde vorbeifliegen und für uns nicht mehr gefährlich sein können.

Um die Auswirkung auf das Erdmagnetfeld darzustellen, die die Teilchenstrahlung der Sonne hervorruft, wurde eine Indexskala entwickelt, der sogenannte Kp-Index. Dieser steht für planetare Kennziffer.

Je nach Stärke der Kennzahl kann dies zu Magnetfeldschwankungen auf der Erde führen. Er ist damit auch ein Gradmesser für eventuelle Polarlichterscheinungen. Gemessen wird der Kp-Index von 13 Stationen, die rund um die Welt verteilt sind. Der Kp-Index kann dabei Werte zwischen 0 und 9 annehmen:

Bei einem Kp-Index von 9: Polarlichter reichen bis in südlichere Breiten.

Das Magnetfeld lenkt die geladenen Teilchen des Sonnenwinds entlang der magnetischen Feldlinien Richtung Nord- und Südpol ab. Sie wandern entlang dieser Feldlinien zu den magnetischen Polen und tauchen erst dort in die Erdatmosphäre ein.

In der oberen Atmosphäre kollidieren sie mit Luftmolekülen und übertragen dabei einen Teil ihrer Energie. Besonders Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle werden dabei ionisiert und so zum Leuchten angeregt. Dabei entstehen dann die Polarlichter.

Die Aktivität unserer Sonne folgt einem regelmäßigen Zyklus. Etwa alle 11 Jahre pendelt die Aktivität zwischen einer ziemlich ruhigen Phase und einem Abschnitt mit deutlich mehr Plasmaausbrüchen und starken Sonnenwinden hin und her. Währenddessen kippt das Magnetfeld der Sonne an den Sonnenpolen um. Außerdem nehmen die Aktivitäten auf der Sonnenoberfläche zu. Angetrieben wird dieser Wechsel wahrscheinlich von großen Umwälzströmen im Sonneninneren.

Während die Sonne ihren Sonnenzyklus durchläuft, entstehen Sonnenflecken. Diese sind dunkle Stellen auf der Sonnenoberfläche, die niedrigere Temperaturen aufweisen als andere Teile auf der Sonne.

Wenn die Sonne ihr Magnetfeld neu anordnet, können sich Linien in der Nähe dieser Sonnenflecken kreuzen oder verheddern. Geschieht dies, kommt es zu einer Explosion, die als Sonneneruption bezeichnet wird. Manchmal entsteht dabei ein "koronaler Massenauswurf". Dieser besteht aus geladenen Teilchen.

Werden solche Teilchenwolken in Richtung Erde geschleudert, treffen sie meist 1 bis 2 Tage später mit einer gewaltigen Schockwelle auf das Erdmagnetfeld. Dabei wird dieses in Richtung des Sonnensturms verformt und ein sogenannter geomagnetischer Sturm ausgelöst.

Die irdische Atmosphäre und das Magnetfeld schützen uns vor Sonnenstürmen. In der Regel sind Polarlichter, die von elektrisch geladenen Teilchenwolken einer Sonneneruption auf das Magnetfeld gelenkt werden, ungefährlich. Am Polarkreis werden der Radioempfang und der Funkverkehr hin und wieder beeinträchtigt.

Der 25. Sonnenzyklus hat im Dezember 2019 begonnen. Seither wurde eine deutlich größere Aktivität der Sonne festgestellt als eigentlich vorher angenommen. Im März 2022 gab es zum Beispiel mit rund 70 sogenannten Sonnenflecken etwa doppelt so viele wie erwartet. Daraus folgten laut NASA 146 Sonneneruptionen. Gegenwärtig wird ein Höchststand der Fleckenanzahl für 2025 erwartet, aber es werden dann wahrscheinlich noch mehr sein als die bisher angenommenen 115 Sonnenflecken.

Wenn die Sonne bis zum ihren Höhpunkt sehr aktiv bleibt, dürfte dieser Sonnenzyklus einer der aktivsten in den vergangenen Jahren werden. Schlimmstenfalls stehen Kommunikationsausfälle und Schwankungen im Stromnetz an. Ferner leuchten auch wieder spektakuläre Polarlichter am Nachthimmel auf.

Unter dem Ansturm der Teilchenwolke von der Sonne verformt sich das Magnetfeld der Erde. Atmosphärenphysiker sprechen daher auch von einem geomagnetischen Sturm oder Sonnensturm. Zugleich wird der Teilchenstrom zu den magnetischen Polen hin umgelenkt, wo die energiereichen Teilchen in die Atmosphäre eindringen können.

Die dabei frei werdende Energie heizt die dünne Hochatmosphäre auf, wodurch diese sich ausdehnt und etwas weiter in den Weltraum hinaufreicht, als vor oder nach dem Teilchensturm. Deshalb können Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen um die Erde von starken geomagnetischen Stürmen abgebremst und so ihr Betrieb gestört werden.

Besonders starke Sonnenstürme können für die technische Infrastruktur auf der Erde gravierende Folgen haben:

Schätzungen gehen davon aus, dass starke, potenziell folgenreiche Sonnenstürme die Erde alle 100 bis 200 Jahre treffen.

Polarlichter tauchen oft aus dem Nichts auf. Ihre Farbe hängt von der Art der Luftmoleküle ab. So leuchten Sauerstoffatome in 100 Kilometern Höhe grün, in 200 Kilometern Höhe dann orange bis rot. Blau bis Violett entsteht durch die Anregung von Stickstoffatomen. Hierfür ist aber sehr viel Energie nötig und deshalb erscheinen blaue Polarlichter selten. Natürlich gibt es auch Mischfarben und Nordlichter können sogar in allen Regenbogenfarben schillern.

Polarlichter tanzen als Farbschleier in großen Flecken teils mit 100 Kilometern Durchmesser am Himmel, pendeln als Beamer oder Strahlen oder überziehen wie hell leuchtende Lichtbrücken das Firmament. Meist ist jedoch nur ein schwaches Glimmen zu beobachten.

Das Potenzial für Polarlichter ist maximal 48 Stunden im Voraus mehr oder weniger gut vorherzusagen. Verena Leyendecker war auf Island, um sie dort zu sehen. Im Video zeigt sie, warum sie kurz enttäuscht, aber dann umso faszinierter war. Außerdem gibt sie Tipps, was bei der Beobachtung des Himmelsschauspiels zu beachten ist.

Besonders eindrucksvoll sehen Polarlichter aus, wenn man sie aus dem All beobachten kann, wie dieses Video von der Raumstation ISS zeigt: