Polarlicht
Ein Polarlicht (Plural: Aurora oder Aurorae), auch bekannt als Polarlichter, ist eine natürliche Lichterscheinung am Himmel der Erde, die vor allem in hohen Breitengraden (um die Arktis und Antarktis) zu sehen ist. Polarlichter zeigen dynamische Muster aus leuchtenden Lichtern, die als Vorhänge, Strahlen, Spiralen oder dynamisches Flackern den gesamten Himmel bedecken. ⓘ
Polarlichter sind das Ergebnis von Störungen in der Magnetosphäre, die durch den Sonnenwind verursacht werden. Größere Störungen resultieren aus der Erhöhung der Geschwindigkeit des Sonnenwindes durch koronale Löcher und koronale Massenauswürfe. Diese Störungen verändern die Flugbahnen der geladenen Teilchen im magnetosphärischen Plasma. Diese Teilchen, hauptsächlich Elektronen und Protonen, stürzen in die obere Atmosphäre (Thermosphäre/Exosphäre) ab. Die daraus resultierende Ionisierung und Anregung der Atmosphärenbestandteile emittiert Licht von unterschiedlicher Farbe und Komplexität. Die Form des Polarlichts, das in Bändern um die beiden Polarregionen herum auftritt, hängt auch von der Beschleunigung ab, die den ausfallenden Teilchen verliehen wird. ⓘ
Die meisten Planeten des Sonnensystems, einige natürliche Satelliten, braune Zwerge und sogar Kometen beherbergen ebenfalls Polarlichter. ⓘ
Etymologie
Das Wort "Aurora" leitet sich vom Namen der römischen Göttin der Morgenröte, Aurora, ab, die von Osten nach Westen reiste und das Kommen der Sonne ankündigte. Die griechischen Dichter der Antike verwendeten den entsprechenden Namen Eos metaphorisch für die Morgendämmerung, wobei sie oft ihr Farbenspiel am ansonsten dunklen Himmel erwähnten (z. B. "rosafingrige Morgendämmerung"). ⓘ
Die Wörter "borealis" und "australis" sind von den Namen der antiken Götter des Nordwinds (Boreas) und des Südwinds (Auster) abgeleitet. ⓘ
Vorkommen
Die meisten Polarlichter treten in einem Bereich auf, der als "Polarlichtzone" bezeichnet wird. Dieser Bereich ist in der Regel 3° bis 6° breit und zu allen Ortszeiten (oder Längengraden) zwischen 10° und 20° von den geomagnetischen Polen entfernt und ist nachts bei dunklem Himmel am deutlichsten zu sehen. Eine Region, in der derzeit ein Polarlicht zu sehen ist, wird als "Polarlicht-Oval" bezeichnet, ein Band, das durch den Sonnenwind zur Nachtseite der Erde hin verschoben wird. Frühe Hinweise auf einen geomagnetischen Zusammenhang stammen aus der Statistik der Polarlichtbeobachtungen. Elias Loomis (1860) und später Hermann Fritz (1881) und Sophus Tromholt (1881) stellten fest, dass das Polarlicht hauptsächlich in der Polarlichtzone auftritt. ⓘ
In nördlichen Breitengraden ist der Effekt als Polarlicht oder Nordlicht bekannt. Der erste Begriff wurde 1619 von Galilei geprägt und leitet sich von der römischen Göttin der Morgenröte und dem griechischen Namen für den Nordwind ab. Das südliche Gegenstück, die Aurora australis oder das Südlicht, weist nahezu identische Merkmale wie die Aurora borealis auf und verändert sich gleichzeitig mit den Veränderungen in der nördlichen Polarlichtzone. Das Polarlicht ist in hohen südlichen Breitengraden in der Antarktis, Chile, Argentinien, Südafrika, Neuseeland und Australien zu sehen. Das Polarlicht ist in der Nähe des Polarkreises sichtbar, z. B. in Alaska, Kanada, Island, Grönland, Norwegen, Schweden, Finnland und Russland. ⓘ
Ein geomagnetischer Sturm bewirkt, dass sich die Polarlicht-Ovale (Nord und Süd) ausdehnen und das Polarlicht in niedrigere Breiten bringen. Die momentane Verteilung der Polarlichter ("Polarlichtoval") ist etwas anders, da sie etwa 3-5° nachts vom Magnetpol entfernt zentriert ist, so dass die Polarlichtbögen am weitesten in Richtung Äquator reichen, wenn sich der betreffende Magnetpol zwischen dem Beobachter und der Sonne befindet. Zu diesem Zeitpunkt, der als magnetische Mitternacht bezeichnet wird, ist das Polarlicht am besten zu sehen. ⓘ
Polarlichter, die innerhalb des Polarlichtovals zu sehen sind, können sich direkt über dem Himmel befinden, aber aus größerer Entfernung leuchten sie am polwärts gerichteten Horizont grünlich oder manchmal auch schwach rot, als ob die Sonne aus einer ungewöhnlichen Richtung aufgehen würde. Polarlichter treten auch polwärts der Polarlichtzone auf, entweder als diffuse Flecken oder als Bögen, die subvisuell sein können.
auf einem aufsteigenden Pass von südlich von Madagaskar bis knapp nördlich von Australien über dem Indischen Ozean
von den französischen Süd- und Antarktisgebieten im südlichen Indischen Ozean nach Südaustralien
Ein K-Index von Kp= 3 entspricht einer relativ geringen geomagnetischen Aktivität, während Kp= 9 einer hohen Aktivität entspricht.
Polarlichter werden gelegentlich in Breitengraden unterhalb der Polarlichtzone beobachtet, wenn ein geomagnetischer Sturm das Polarlichtoval vorübergehend vergrößert. Große geomagnetische Stürme treten am häufigsten während des Höhepunkts des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus oder in den drei Jahren nach dem Höhepunkt auf. Ein Elektron dreht sich spiralförmig um eine Feldlinie in einem Winkel, der durch seine Geschwindigkeitsvektoren bestimmt wird, die parallel bzw. senkrecht zum lokalen geomagnetischen Feldvektor B verlaufen. Der Abstand oder Radius des Elektrons von der Feldlinie zu jedem Zeitpunkt wird als sein Larmor-Radius bezeichnet. Der Neigungswinkel vergrößert sich, wenn sich das Elektron in einen Bereich mit größerer Feldstärke bewegt, der näher an der Atmosphäre liegt. So ist es möglich, dass einige Teilchen zurückkehren oder spiegeln, wenn der Winkel 90° beträgt, bevor sie in die Atmosphäre eintreten, um dort mit den dichteren Molekülen zusammenzustoßen. Andere Teilchen, die nicht spiegeln, treten in die Atmosphäre ein und tragen in verschiedenen Höhen zum Polarlicht bei. Andere Arten von Polarlichtern wurden vom Weltraum aus beobachtet, z. B. "polwärts gerichtete Bögen", die sich sonnenwärts über die Polkappe erstrecken, die damit verbundene "Theta-Aurora" und "tageszeitliche Bögen" in der Nähe der Mittagszeit. Diese treten relativ selten auf und sind kaum erforscht. Es gibt noch weitere interessante Effekte wie flackernde Aurora, "schwarze Aurora" und subvisuelle rote Bögen. Zusätzlich zu all diesen Erscheinungen wird ein schwaches Leuchten (oft tiefrot) um die beiden Polkappen beobachtet, die Feldlinien, die diejenigen, die sich der Erde nähern, von denen trennen, die in den Schweif gezogen werden und sich in der Ferne schließen. ⓘ
Bilder
Frühe Arbeiten zur Abbildung der Polarlichter wurden 1949 von der Universität Saskatchewan mit dem SCR-270-Radar durchgeführt. Die Höhen, in denen Polarlichter auftreten, wurden von Carl Størmer und seinen Kollegen ermittelt, die mit Kameras mehr als 12 000 Polarlichter triangulierten. Sie entdeckten, dass der größte Teil des Lichts zwischen 90 km und 150 km über dem Boden erzeugt wird, manchmal aber auch in mehr als 1000 km Höhe. ⓘ
Formen
Nach Clark (2007) gibt es vier Hauptformen, die vom Boden aus gesehen werden können, von der am wenigsten sichtbaren bis zur am meisten sichtbaren:
- Ein leichtes Glühen in der Nähe des Horizonts. Diese können nahe an der Sichtbarkeitsgrenze liegen, sind aber von mondbeschienenen Wolken zu unterscheiden, da die Sterne durch das Glühen hindurch unvermindert zu sehen sind.
- Flecken oder Flächen, die wie Wolken aussehen.
- Bögen, die sich über den Himmel wölben.
- Strahlen sind helle und dunkle Streifen über Bögen, die unterschiedlich weit nach oben reichen.
- Koronen bedecken einen großen Teil des Himmels und laufen von einem Punkt aus auseinander. ⓘ
Brekke (1994) beschreibt einige Polarlichter auch als Vorhänge. Die Ähnlichkeit mit Vorhängen wird oft noch durch Falten innerhalb der Bögen verstärkt. Die Bögen können in einzelne, manchmal schnell wechselnde, oft strahlenförmige Erscheinungen zerfallen, die den gesamten Himmel ausfüllen können. Diese sind auch als diskrete Polarlichter bekannt, die zuweilen so hell sind, dass man nachts eine Zeitung lesen kann. ⓘ
Diese Formen stehen im Einklang mit Polarlichtern, die durch das Magnetfeld der Erde geformt werden. Das Erscheinungsbild von Bögen, Strahlen, Vorhängen und Krönchen wird durch die Form der leuchtenden Teile der Atmosphäre und den Standort des Betrachters bestimmt. ⓘ
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 Vallance-Jones Classification unterteilt:
| Abk. | Bezeichnung ⓘ | |
|---|---|---|
| englisch | deutsch | |
| 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 | Zenit-gerichtete, pulsierende Strahlen |
Weiterhin gibt es innerhalb der Lichter deutliche dunkle Bereiche, die sogenannte Anti-Aurora. Es sind Gebiete, in denen der Elektronenstrom in Richtung Hochatmosphäre zum Erliegen kommt. Satelliten haben in einem solchen Bereich nach oben, also weg von der Atmosphäre gerichtete Elektronenströme festgestellt. ⓘ
Farben und Wellenlängen des Polarlichtes
- Rot: In den höchsten Höhen strahlt angeregter atomarer Sauerstoff bei 630 nm (rot); die geringe Konzentration der Atome und die geringere Empfindlichkeit der Augen bei dieser Wellenlänge machen diese Farbe nur bei intensiverer Sonnenaktivität sichtbar. Die geringe Anzahl der Sauerstoffatome und ihre allmählich abnehmende Konzentration sind für das schwache Aussehen der oberen Teile der "Vorhänge" verantwortlich. Scharlachrot, Purpurrot und Karminrot sind die am häufigsten gesehenen Rottöne der Polarlichter.
- Grün: In niedrigeren Höhen unterdrücken die häufigeren Kollisionen den 630 nm-Modus (rot); stattdessen dominiert die 557,7 nm-Emission (grün). Aufgrund der relativ hohen Konzentration von atomarem Sauerstoff und der höheren Empfindlichkeit des Auges sind grüne Polarlichter am häufigsten. Der angeregte molekulare Stickstoff (atomarer Stickstoff ist aufgrund der hohen Stabilität des N2-Moleküls selten) spielt hier eine Rolle, da er durch Kollisionen Energie auf ein Sauerstoffatom übertragen kann, das sie dann bei grüner Wellenlänge abstrahlt. (Rot und Grün können sich auch vermischen, um rosa oder gelbe Farbtöne zu erzeugen.) Die rasche Abnahme der Konzentration von atomarem Sauerstoff unterhalb von etwa 100 km ist für das abrupt aussehende Ende der unteren Ränder der Vorhänge verantwortlich. Die beiden Wellenlängen 557,7 und 630,0 nm entsprechen verbotenen Übergängen von atomarem Sauerstoff, ein langsamer Mechanismus, der für die Allmählichkeit (0,7 s bzw. 107 s) des Aufflackerns und Verblassens verantwortlich ist.
- Blau: In noch geringeren Höhen ist atomarer Sauerstoff selten, und molekularer Stickstoff und ionisierter molekularer Stickstoff übernehmen die Erzeugung sichtbarer Lichtemissionen und strahlen bei einer großen Anzahl von Wellenlängen sowohl im roten als auch im blauen Teil des Spektrums, wobei 428 nm (blau) dominieren. Blaue und violette Emissionen, die sich typischerweise an den unteren Rändern der "Vorhänge" befinden, treten bei der höchsten Sonnenaktivität auf. Die Übergänge von molekularem Stickstoff sind viel schneller als die von atomarem Sauerstoff.
- Ultraviolett: Die ultraviolette Strahlung von Polarlichtern (innerhalb des optischen Fensters, aber für praktisch alle Menschen nicht sichtbar) wurde mit der entsprechenden Ausrüstung beobachtet. Ultraviolette Polarlichter wurden auch auf Mars, Jupiter und Saturn beobachtet.
- Infrarot: Infrarotstrahlung in Wellenlängen, die innerhalb des optischen Fensters liegen, ist ebenfalls Bestandteil vieler Polarlichter.
- Gelb und Rosa sind eine Mischung aus Rot und Grün oder Blau. Andere Rottöne sowie Orange können in seltenen Fällen gesehen werden; Gelb-Grün ist mäßig häufig. Da Rot, Grün und Blau linear unabhängige Farben sind, könnte die additive Synthese theoretisch die meisten vom Menschen wahrgenommenen Farben hervorbringen, aber die in diesem Artikel erwähnten sind eine nahezu erschöpfende Liste. ⓘ
Veränderungen mit der Zeit
Polarlichter verändern sich mit der Zeit. Im Laufe der Nacht beginnen sie mit dem Aufleuchten und bewegen sich auf die Korona zu, auch wenn sie diese vielleicht nicht erreichen. Sie neigen dazu, in umgekehrter Reihenfolge wieder zu verschwinden. Bis etwa 1963 nahm man an, dass diese Veränderungen auf die Rotation der Erde zurückzuführen sind, die in Bezug auf die Sonne feststeht. Später wurde durch den Vergleich von All-Sky-Filmen von Polarlichtern an verschiedenen Orten (die während des Internationalen Geophysikalischen Jahres gesammelt wurden) festgestellt, dass sie oft globale Veränderungen durchlaufen, die als Polarlicht-Substurm bezeichnet werden. Sie wechseln innerhalb weniger Minuten von ruhigen Bögen entlang des Polarlichtovals zu aktiven Erscheinungen auf der dunklen Seite und kehren nach 1 bis 3 Stunden allmählich zurück. Veränderungen der Polarlichter im Laufe der Zeit werden üblicherweise mit Hilfe von Keogrammen visualisiert. ⓘ
Auf kürzeren Zeitskalen können Polarlichter ihr Aussehen und ihre Intensität verändern, manchmal so langsam, dass sie kaum wahrnehmbar sind, und manchmal schnell bis in den Subsekundenbereich. Das Phänomen der pulsierenden Polarlichter ist ein Beispiel für Intensitätsschwankungen auf kurzen Zeitskalen, typischerweise mit Perioden von 2-20 Sekunden. Diese Art von Polarlicht geht im Allgemeinen mit abnehmenden Spitzenhöhen von etwa 8 km für blaue und grüne Emissionen und überdurchschnittlichen Sonnenwindgeschwindigkeiten (~ 500 km/s) einher. ⓘ
Andere Aurora-Strahlung
Darüber hinaus erzeugen das Polarlicht und die damit verbundenen Strömungen eine starke Radiostrahlung im Bereich von 150 kHz, die als Aurorale Kilometrische Strahlung (AKR) bekannt ist und 1972 entdeckt wurde. Durch die Absorption in der Ionosphäre ist die AKR nur aus dem Weltraum zu beobachten. Auch Röntgenemissionen, die von den mit den Polarlichtern verbundenen Teilchen ausgehen, wurden bereits entdeckt. ⓘ
Rauschen
Das Aurorarauschen, das einem knisternden Geräusch ähnelt, beginnt etwa 70 m über der Erdoberfläche und wird durch geladene Teilchen in einer Inversionsschicht der Atmosphäre verursacht, die sich in einer kalten Nacht bildet. Die geladenen Teilchen entladen sich, wenn Teilchen von der Sonne auf die Inversionsschicht treffen, wodurch das Geräusch entsteht. ⓘ
Ungewöhnliche Arten
STEVE
Im Jahr 2016 beschrieben mehr als fünfzig Bürgerwissenschaftler eine für sie unbekannte Art von Polarlicht, die sie "STEVE" nannten, was für "Strong Thermal Emission Velocity Enhancement" steht. STEVE ist kein Polarlicht, sondern wird durch ein 25 km breites Band aus heißem Plasma in einer Höhe von 450 km verursacht, das eine Temperatur von 6.000 K (5.730 °C; 10.340 °F) hat und mit einer Geschwindigkeit von 6 km/s (3,7 mi/s) fließt (im Vergleich zu 10 m/s außerhalb des Bandes). ⓘ
Lattenzaun-Aurora
Die Vorgänge, die STEVE verursachen, sind auch mit einer Lattenzaun-Aurora verbunden, obwohl letztere auch ohne STEVE zu sehen ist. Es handelt sich um ein Polarlicht, da es durch den Niederschlag von Elektronen in der Atmosphäre verursacht wird, aber es erscheint außerhalb des Polarlichtovals, näher am Äquator als typische Polarlichter. Wenn die Picket-Fence-Aurora mit STEVE erscheint, befindet sie sich darunter. ⓘ
Dünenorakel
Das erstmals 2020 gemeldete und 2021 bestätigte Phänomen der Dünenaurora wurde von finnischen Bürgerwissenschaftlern entdeckt. Es besteht aus regelmäßig verteilten, parallelen Streifen mit hellerer Emission in der grünen, diffusen Aurora, die den Eindruck von Sanddünen vermitteln. Es wird angenommen, dass das Phänomen durch die Modulation der atomaren Sauerstoffdichte durch eine großräumige atmosphärische Welle verursacht wird, die sich horizontal in einem Wellenleiter durch eine Inversionsschicht in der Mesosphäre bewegt, wenn Elektronenniederschlag vorhanden ist. ⓘ
Ursachen
Das Verständnis der physikalischen Prozesse, die zu den verschiedenen Arten von Polarlichtern führen, ist noch unvollständig, aber die grundlegende Ursache ist die Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der Magnetosphäre der Erde. Die unterschiedliche Intensität des Sonnenwindes führt zu Effekten unterschiedlichen Ausmaßes, die jedoch eines oder mehrere der folgenden physikalischen Szenarien umfassen.
- Ein ruhender Sonnenwind, der an der Magnetosphäre der Erde vorbeiströmt, steht in ständiger Wechselwirkung mit ihr und kann sowohl Sonnenwindteilchen direkt in die geomagnetischen Feldlinien injizieren, die "offen" sind, im Gegensatz zu den "geschlossenen" in der gegenüberliegenden Hemisphäre, als auch für eine Diffusion durch den Bugschock sorgen. Er kann auch bewirken, dass Teilchen, die bereits in den Strahlungsgürteln gefangen sind, in die Atmosphäre ausfallen. Sobald Teilchen aus den Strahlungsgürteln in die Atmosphäre verloren gegangen sind, werden sie unter ruhigen Bedingungen nur langsam durch neue ersetzt, und der Verlustkegel erschöpft sich. Im Magnetschweif hingegen scheinen sich die Flugbahnen der Teilchen ständig zu verändern, wahrscheinlich wenn die Teilchen das sehr schwache Magnetfeld in Äquatornähe durchqueren. Infolgedessen ist der Elektronenfluss in dieser Region in alle Richtungen nahezu gleich ("isotrop") und sorgt für einen ständigen Nachschub an austretenden Elektronen. Durch das Austreten von Elektronen bleibt der Schweif nicht positiv geladen, denn jedes ausgetretene Elektron, das an die Atmosphäre verloren geht, wird durch ein Elektron niedriger Energie ersetzt, das aus der Ionosphäre nach oben gezogen wird. Dieser Austausch "heißer" Elektronen durch "kalte" Elektronen steht in völliger Übereinstimmung mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Der gesamte Prozess, der auch einen elektrischen Ringstrom um die Erde erzeugt, ist ungewiss.
- Die geomagnetische Störung durch einen verstärkten Sonnenwind verursacht Verzerrungen des Magnetschweifs ("magnetische Substürme"). Diese "Substürme" treten in der Regel nach längeren Perioden (in der Größenordnung von Stunden) auf, in denen das interplanetare Magnetfeld eine beträchtliche südliche Komponente hatte. Dies führt zu einer stärkeren Verbindung zwischen den Feldlinien der Sonne und denen der Erde. Infolgedessen verschiebt der Sonnenwind den magnetischen Fluss (Röhren aus Magnetfeldlinien, die zusammen mit dem darin befindlichen Plasma "verriegelt" sind) von der Tagseite der Erde zum Magnetschweif, wodurch das Hindernis, das er für den Sonnenwindfluss darstellt, vergrößert und der Schweif auf der Nachtseite eingeengt wird. Schließlich kann sich ein Teil des Schweifplasmas abtrennen ("magnetische Rekonnexion"); einige Kleckse ("Plasmoide") werden stromabwärts gepresst und mit dem Sonnenwind fortgetragen; andere werden in Richtung Erde gepresst, wo ihre Bewegung zu starken Ausbrüchen von Polarlichtern führt, hauptsächlich um Mitternacht ("Entladungsprozess"). Ein geomagnetischer Sturm, der aus einer stärkeren Wechselwirkung resultiert, fügt dem um die Erde gefangenen Plasma viel mehr Teilchen hinzu, was ebenfalls zu einer Verstärkung des "Ringstroms" führt. Gelegentlich kann die daraus resultierende Veränderung des Erdmagnetfeldes so stark sein, dass sie Polarlichter hervorruft, die in mittleren Breiten auf Feldlinien sichtbar sind, die viel näher am Äquator liegen als die der Polarlichtzone.
Mond und Polarlicht
- Die Beschleunigung geladener Teilchen im Polarlicht geht immer mit einer Störung der Magnetosphäre einher, die ein Polarlicht verursacht. Dieser Mechanismus, von dem man annimmt, dass er in erster Linie durch starke elektrische Felder entlang des Magnetfelds oder durch Wellen-Teilchen-Wechselwirkungen entsteht, erhöht die Geschwindigkeit eines Teilchens in Richtung des leitenden Magnetfelds. Dadurch wird der Neigungswinkel verkleinert, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das Teilchen in der Atmosphäre niedergeht. Sowohl die elektromagnetischen als auch die elektrostatischen Wellen, die bei größeren geomagnetischen Störungen entstehen, tragen wesentlich zu den energetischen Prozessen bei, die ein Polarlicht aufrechterhalten. Die Teilchenbeschleunigung ist ein komplexer Zwischenprozess, durch den Energie aus dem Sonnenwind indirekt in die Atmosphäre übertragen wird. ⓘ
Die Einzelheiten dieser Phänomene sind noch nicht vollständig geklärt. Es ist jedoch klar, dass die Hauptquelle der Polarlichtteilchen der Sonnenwind ist, der die Magnetosphäre speist, das Reservoir, das die Strahlungszonen und die vorübergehend magnetisch eingeschlossenen Teilchen enthält, die durch das geomagnetische Feld eingeschlossen sind, in Verbindung mit Teilchenbeschleunigungsprozessen. ⓘ
Aurorale Teilchen
Die unmittelbare Ursache für die Ionisierung und Anregung von Atmosphärenbestandteilen, die zu Polarlichterscheinungen führen, wurde 1960 entdeckt, als ein bahnbrechender Raketenflug von Fort Churchill in Kanada aus einen Elektronenfluss aufzeigte, der von oben in die Atmosphäre eindrang. Seitdem haben zahlreiche Forschungsteams, die die Polarlichtzone mit Raketen und Satelliten durchflogen, in mühevoller Kleinarbeit und mit immer besserer Auflösung seit den 1960er Jahren eine umfangreiche Sammlung von Messungen durchgeführt. Die wichtigsten Erkenntnisse sind, dass Polarlichtbögen und andere helle Formen auf Elektronen zurückzuführen sind, die auf den letzten 10.000 km ihres Eintauchens in die Atmosphäre beschleunigt wurden. Diese Elektronen weisen oft, aber nicht immer, eine Spitze in ihrer Energieverteilung auf und sind bevorzugt entlang der lokalen Richtung des Magnetfelds ausgerichtet. ⓘ
Die Elektronen, die hauptsächlich für diffuse und pulsierende Polarlichter verantwortlich sind, haben dagegen eine gleichmäßig abfallende Energieverteilung und eine Winkelverteilung (Pitch-Winkel), die Richtungen senkrecht zum lokalen Magnetfeld bevorzugt. Es wurde festgestellt, dass die Pulsationen am oder in der Nähe des äquatorialen Kreuzungspunkts der Magnetfeldlinien der Aurora-Zone entstehen. Protonen werden ebenfalls mit Polarlichtern in Verbindung gebracht, und zwar sowohl mit diskreten als auch mit diffusen. ⓘ
Atmosphäre
Polarlichter entstehen durch die Emission von Photonen in der oberen Erdatmosphäre, oberhalb von 80 km, durch ionisierte Stickstoffatome, die ein Elektron zurückgewinnen, sowie durch Sauerstoffatome und Moleküle auf Stickstoffbasis, die aus einem angeregten Zustand in den Grundzustand zurückkehren. Sie werden durch die Kollision von Teilchen ionisiert oder angeregt, die sich in der Atmosphäre niederschlagen. Dabei können sowohl eintreffende Elektronen als auch Protonen beteiligt sein. Die Anregungsenergie geht in der Atmosphäre durch die Emission eines Photons oder durch den Zusammenstoß mit einem anderen Atom oder Molekül verloren:
- Sauerstoffemissionen
- grün oder orange-rot, je nach der Menge der absorbierten Energie.
- Stickstoff emittiert
- blau, violett oder rot; blau und violett, wenn das Molekül ein Elektron zurückerhält, nachdem es ionisiert wurde, rot, wenn es aus einem angeregten Zustand in den Grundzustand zurückkehrt. ⓘ
Sauerstoff ist ungewöhnlich, was die Rückkehr zum Grundzustand betrifft: Es kann 0,7 Sekunden dauern, bis das grüne Licht bei 557,7 nm emittiert wird, und bis zu zwei Minuten für die rote Emission bei 630,0 nm. Durch Zusammenstöße mit anderen Atomen oder Molekülen wird die Anregungsenergie absorbiert und die Emission verhindert; dieser Vorgang wird als "Kollisionslöschung" bezeichnet. Da die höchsten Teile der Atmosphäre einen höheren Sauerstoffanteil und eine geringere Teilchendichte aufweisen, sind solche Zusammenstöße so selten, dass der Sauerstoff Zeit hat, rotes Licht zu emittieren. Mit zunehmender Dichte in der Atmosphäre werden die Zusammenstöße häufiger, so dass für die Emission von rotem Licht keine Zeit mehr bleibt und schließlich sogar die Emission von grünem Licht verhindert wird. ⓘ
Aus diesem Grund gibt es einen Farbunterschied mit der Höhe; in großen Höhen dominiert Sauerstoff rot, dann Sauerstoff grün und Stickstoff blau/lila/rot, schließlich Stickstoff blau/lila/rot, wenn Kollisionen verhindern, dass Sauerstoff etwas aussendet. Grün ist die häufigste Farbe. Dann kommt Rosa, eine Mischung aus Hellgrün und Rot, gefolgt von reinem Rot, dann Gelb (eine Mischung aus Rot und Grün) und schließlich reinem Blau. ⓘ
Ausscheidende Protonen erzeugen im Allgemeinen optische Emissionen als einfallende Wasserstoffatome, nachdem sie Elektronen aus der Atmosphäre aufgenommen haben. Protonen-Aurore werden gewöhnlich in niedrigeren Breitengraden beobachtet. ⓘ
Ionosphäre
Helle Polarlichter werden im Allgemeinen mit Birkeland-Strömen in Verbindung gebracht (Schield et al., 1969; Zmuda und Armstrong, 1973), die auf der einen Seite des Pols in die Ionosphäre hinabfließen und auf der anderen Seite wieder heraus. Dazwischen fließt ein Teil des Stroms direkt durch die ionosphärische E-Schicht (125 km); der Rest ("Region 2") macht einen Umweg, verlässt die Ionosphäre wieder durch Feldlinien in Äquatornähe und schließt sich durch den "partiellen Ringstrom", der von magnetisch eingeschlossenem Plasma getragen wird. Da die Ionosphäre ein ohmscher Leiter ist, gehen einige davon aus, dass solche Ströme eine Antriebsspannung benötigen, die ein noch nicht näher spezifizierter Dynamomechanismus liefern kann. Elektrische Feldsonden in der Umlaufbahn über der Polkappe deuten auf Spannungen in der Größenordnung von 40.000 Volt hin, die bei starken Magnetstürmen auf über 200.000 Volt ansteigen. Nach einer anderen Interpretation sind die Ströme das direkte Ergebnis der Beschleunigung von Elektronen in der Atmosphäre durch die Wechselwirkung von Wellen und Teilchen. ⓘ
Der ionosphärische Widerstand ist von komplexer Natur und führt zu einem sekundären Hall-Stromfluss. Durch eine seltsame physikalische Wendung hebt sich die durch den Hauptstrom verursachte magnetische Störung am Boden fast auf, so dass der größte Teil der beobachteten Wirkung von Polarlichtern auf einen sekundären Strom, den Polarlichtelektrojet, zurückzuführen ist. Ein Polarlicht-Elektrojet-Index (gemessen in Nanotesla) wird regelmäßig aus Bodendaten abgeleitet und dient als allgemeines Maß für die Aktivität des Polarlichts. Kristian Birkeland schlussfolgerte, dass die Ströme in Ost-West-Richtung entlang des Polarlichtbogens fließen, und solche Ströme, die von der Tagseite in Richtung (ungefähr) Mitternacht fließen, wurden später "Polarlicht-Elektrojets" genannt (siehe auch Birkeland-Ströme). ⓘ
Wechselwirkung des Sonnenwindes mit der Erde
Die Erde ist ständig in den Sonnenwind eingetaucht, einen Strom aus magnetisiertem, heißem Plasma (ein Gas aus freien Elektronen und positiven Ionen), das von der Sonne in alle Richtungen ausgestrahlt wird und das Ergebnis der zwei Millionen Grad heißen äußersten Schicht der Sonne, der Korona, ist. Der Sonnenwind erreicht die Erde mit einer Geschwindigkeit von typischerweise etwa 400 km/s, einer Dichte von etwa 5 Ionen/cm3 und einer Magnetfeldstärke von etwa 2-5 nT (zum Vergleich: das Feld an der Erdoberfläche beträgt typischerweise 30.000-50.000 nT). Insbesondere während magnetischer Stürme können die Strömungen um ein Vielfaches schneller sein; auch das interplanetare Magnetfeld (IMF) kann viel stärker sein. Joan Feynman stellte in den 1970er Jahren fest, dass die langfristigen Durchschnittswerte der Sonnenwindgeschwindigkeit mit der geomagnetischen Aktivität korrelieren. Ihre Arbeit stützte sich auf Daten, die von der Raumsonde Explorer 33 gesammelt wurden. ⓘ
Der Sonnenwind und die Magnetosphäre bestehen aus Plasma (ionisiertem Gas), das Elektrizität leitet. Es ist bekannt (seit den Arbeiten von Michael Faraday um 1830), dass ein elektrischer Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet und sich dabei in einer Richtung bewegt, in der er die Linien des Magnetfelds schneidet (oder von ihnen geschnitten wird), statt entlang dieser Linien zu verlaufen, einen elektrischen Strom im Leiter induziert. Die Stärke des Stroms hängt ab von a) der Geschwindigkeit der Relativbewegung, b) der Stärke des Magnetfelds, c) der Anzahl der aneinandergereihten Leiter und d) dem Abstand zwischen dem Leiter und dem Magnetfeld, während die Flussrichtung von der Richtung der Relativbewegung abhängt. Dynamos machen sich diesen grundlegenden Prozess zunutze ("Dynamoeffekt"), und alle Leiter, ob fest oder nicht, sind davon betroffen, einschließlich Plasmen und anderer Flüssigkeiten. ⓘ
Der IMF hat seinen Ursprung auf der Sonne, verbunden mit den Sonnenflecken, und seine Feldlinien (Kraftlinien) werden vom Sonnenwind mitgerissen. Dies allein würde dazu führen, dass sie sich in Richtung Sonne-Erde ausrichten, aber die Rotation der Sonne richtet sie in einem Winkel von etwa 45 Grad zur Erde aus und bildet so eine Spirale in der Ekliptikebene, die so genannte Parker-Spirale. Die Feldlinien, die an der Erde vorbeiziehen, sind daher in der Regel mit denen verbunden, die sich in der Nähe des westlichen Randes ("Limbus") der sichtbaren Sonne befinden. ⓘ
Da es sich beim Sonnenwind und der Magnetosphäre um zwei elektrisch leitende Flüssigkeiten handelt, die sich relativ zueinander bewegen, sollten sie im Prinzip in der Lage sein, durch Dynamowirkung elektrische Ströme zu erzeugen und Energie aus dem Sonnenwindstrom zu übertragen. Dieser Prozess wird jedoch durch die Tatsache behindert, dass Plasmen entlang von Magnetfeldlinien gut leiten, senkrecht dazu jedoch weniger gut. Die Energieübertragung erfolgt effektiver durch die vorübergehende magnetische Verbindung zwischen den Feldlinien des Sonnenwindes und denen der Magnetosphäre. Es überrascht nicht, dass dieser Prozess als magnetische Rekonnexion bezeichnet wird. Wie bereits erwähnt, geschieht dies am ehesten, wenn das interplanetare Feld nach Süden gerichtet ist, in einer ähnlichen Richtung wie das geomagnetische Feld in den inneren Regionen sowohl des magnetischen Nordpols als auch des magnetischen Südpols. ⓘ
Polarlichter treten häufiger und heller während der intensiven Phase des Sonnenzyklus auf, wenn koronale Massenauswürfe die Intensität des Sonnenwindes erhöhen. ⓘ
Magnetosphäre
Die Magnetosphäre der Erde wird durch den Einfluss des Sonnenwindes auf das Magnetfeld der Erde geformt. Dieser bildet ein Hindernis für die Strömung, das sie in einer durchschnittlichen Entfernung von etwa 70 000 km (11 Erdradien oder Re) ablenkt und 12 000 km bis 15 000 km (1,9 bis 2,4 Re) weiter stromaufwärts einen Bugschock erzeugt. Die Breite der Magnetosphäre in Erdnähe beträgt typischerweise 190.000 km (30 Re), und auf der Nachtseite erstreckt sich ein langer "Magnetschweif" aus gestreckten Feldlinien über große Entfernungen (> 200 Re). ⓘ
Die Magnetosphäre in hohen Breitengraden füllt sich mit Plasma, wenn der Sonnenwind die Erde passiert. Der Plasmastrom in die Magnetosphäre nimmt mit der zusätzlichen Turbulenz, Dichte und Geschwindigkeit des Sonnenwindes zu. Dieser Fluss wird durch eine südwärts gerichtete Komponente der IMF begünstigt, die sich dann direkt mit den geomagnetischen Feldlinien der hohen Breiten verbinden kann. Das Strömungsmuster des magnetosphärischen Plasmas verläuft hauptsächlich vom Magnetschweif zur Erde, um die Erde herum und zurück in den Sonnenwind durch die Magnetopause auf der Tagseite. Ein Teil des magnetosphärischen Plasmas bewegt sich nicht nur senkrecht zum Magnetfeld der Erde, sondern wandert auch entlang der Magnetfeldlinien der Erde nach unten, gewinnt zusätzliche Energie und gibt sie in den Polarlichtzonen an die Atmosphäre ab. Die Spitzen der Magnetosphäre, die geomagnetische Feldlinien, die sich durch die Erde schließen, von denen trennen, die sich in der Ferne schließen, ermöglichen es einem kleinen Teil des Sonnenwindes, direkt in die obere Atmosphäre zu gelangen und ein Polarlicht zu erzeugen. ⓘ
Am 26. Februar 2008 konnten die THEMIS-Sonden zum ersten Mal das auslösende Ereignis für das Auftreten von magnetosphärischen Substürmen bestimmen. Zwei der fünf Sonden, die etwa ein Drittel des Abstands zum Mond positioniert waren, maßen Ereignisse, die auf ein magnetisches Rekonnexionsereignis 96 Sekunden vor der Verstärkung des Polarlichts hindeuten. ⓘ
Geomagnetische Stürme, die Polarlichter auslösen, treten möglicherweise häufiger in den Monaten um die Tagundnachtgleiche auf. Es ist nicht ganz klar, aber geomagnetische Stürme können mit den Jahreszeiten der Erde variieren. Zwei zu berücksichtigende Faktoren sind die Neigung der Sonnen- und der Erdachse gegenüber der Ekliptikebene. Während der Erdumlaufbahn im Laufe eines Jahres erfährt die Erde ein interplanetarisches Magnetfeld (IMF) von verschiedenen Breitengraden der Sonne, die um 8 Grad geneigt ist. In ähnlicher Weise verändert die 23-Grad-Neigung der Erdachse, um die sich der geomagnetische Pol täglich dreht, den durchschnittlichen Winkel, den das geomagnetische Feld im Laufe eines Jahres mit dem einfallenden IMF bildet. Die Kombination dieser Faktoren kann zu geringfügigen zyklischen Veränderungen in der detaillierten Art und Weise führen, wie sich der IMF mit der Magnetosphäre verbindet. Dies wiederum wirkt sich auf die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit aus, dass sich eine Tür öffnet, durch die Energie aus dem Sonnenwind die innere Magnetosphäre der Erde erreichen und dadurch Polarlichter verstärken kann. Jüngste Erkenntnisse aus dem Jahr 2021 haben gezeigt, dass es sich bei einzelnen separaten Substürmen in Wirklichkeit um korrelierte, vernetzte Gemeinschaften handeln kann. ⓘ
Aurorale Teilchenbeschleunigung
So wie es viele Arten von Polarlichtern gibt, so gibt es auch viele verschiedene Mechanismen, die Polarlichtteilchen in die Atmosphäre beschleunigen. Elektronenoras in der Polarlichtzone der Erde (d. h. allgemein sichtbare Polarlichter) können in zwei Hauptkategorien mit unterschiedlichen unmittelbaren Ursachen unterteilt werden: diffuse und diskrete Polarlichter. Diffuse Polarlichter erscheinen einem Beobachter am Boden relativ strukturlos, mit undeutlichen Rändern und amorphen Formen. Diskrete Polarlichter sind strukturiert und haben klar definierte Ränder wie Bögen, Strahlen und Kränze; außerdem sind sie in der Regel viel heller als diffuse Polarlichter. ⓘ
In beiden Fällen entstehen die Elektronen, die schließlich das Polarlicht verursachen, als Elektronen, die vom Magnetfeld in der Magnetosphäre der Erde eingefangen werden. Diese gefangenen Teilchen hüpfen entlang der Magnetfeldlinien hin und her und werden durch den Magnetspiegel, der durch die zunehmende Magnetfeldstärke in Erdnähe entsteht, daran gehindert, auf die Atmosphäre zu treffen. Die Fähigkeit des Magnetspiegels, ein Teilchen einzufangen, hängt vom Neigungswinkel des Teilchens ab: dem Winkel zwischen seiner Bewegungsrichtung und dem lokalen Magnetfeld. Ein Polarlicht entsteht durch Prozesse, die den Neigungswinkel vieler einzelner Elektronen verringern, so dass sie sich aus der magnetischen Falle befreien und auf die Atmosphäre treffen. ⓘ
Bei diffusen Polarlichtern werden die Neigungswinkel der Elektronen durch ihre Wechselwirkung mit verschiedenen Plasmawellen verändert. Jede Wechselwirkung ist im Wesentlichen eine Welle-Teilchen-Streuung; die Energie des Elektrons ist nach der Wechselwirkung mit der Welle ähnlich wie vor der Wechselwirkung, aber die Bewegungsrichtung ist verändert. Wenn die endgültige Bewegungsrichtung nach der Streuung nahe an der Feldlinie liegt (d. h. innerhalb des Verlustkegels), trifft das Elektron auf die Atmosphäre. Diffuse Polarlichter werden durch die kollektive Wirkung vieler solcher gestreuter Elektronen verursacht, die auf die Atmosphäre treffen. Der Prozess wird durch die Plasmawellen vermittelt, die in Zeiten hoher geomagnetischer Aktivität stärker werden, was zu einer Zunahme diffuser Polarlichter in diesen Zeiten führt. ⓘ
Bei diskreten Polarlichtern werden die eingefangenen Elektronen durch elektrische Felder, die sich in einer Höhe von etwa 4000-12000 km in der "Polarlicht-Beschleunigungsregion" bilden, in Richtung Erde beschleunigt. Die elektrischen Felder sind von der Erde weg (d. h. nach oben) entlang der Magnetfeldlinie gerichtet. Elektronen, die sich durch diese Felder nach unten bewegen, gewinnen eine beträchtliche Menge an Energie (in der Größenordnung von einigen keV) in Richtung der Magnetfeldlinie zur Erde. Diese auf das Feld ausgerichtete Beschleunigung verringert den Neigungswinkel für alle Elektronen, die die Region durchqueren, und führt dazu, dass viele von ihnen auf die obere Atmosphäre treffen. Im Gegensatz zum Streuprozess, der zu diffusen Polarlichtern führt, erhöht das elektrische Feld die kinetische Energie aller Elektronen, die das Beschleunigungsgebiet nach unten durchqueren, um den gleichen Betrag. Dadurch werden Elektronen, die aus der Magnetosphäre mit anfänglich niedrigen Energien (10 eV oder weniger) kommen, auf Energien beschleunigt, die für die Erzeugung eines Polarlichts erforderlich sind (100 eV oder mehr), so dass diese große Quelle von Teilchen zur Erzeugung von Polarlicht beitragen kann. ⓘ
Die beschleunigten Elektronen tragen einen elektrischen Strom entlang der Magnetfeldlinien (Birkeland-Strom). Da das elektrische Feld in dieselbe Richtung wie der Strom zeigt, kommt es in der Beschleunigungsregion des Polarlichts zu einer Nettoumwandlung von elektromagnetischer Energie in Teilchenenergie (eine elektrische Last). Die Energie für diese Last wird schließlich vom magnetisierten Sonnenwind geliefert, der um das Hindernis des Erdmagnetfeldes herumfließt, obwohl die genaue Art und Weise, wie diese Energie durch die Magnetosphäre fließt, noch immer ein aktives Forschungsgebiet ist. Während die Energie für das Polarlicht letztlich aus dem Sonnenwind stammt, gelangen die Elektronen selbst nicht direkt vom Sonnenwind in die Polarlichtzone der Erde; die Magnetfeldlinien aus diesen Regionen sind nicht mit dem Sonnenwind verbunden, so dass es keinen direkten Zugang für die Sonnenwindelektronen gibt. ⓘ
Einige Polarlichtmerkmale werden auch durch Elektronen erzeugt, die durch Alfvén-Wellen beschleunigt werden. Bei kleinen Wellenlängen (vergleichbar mit der Trägheitslänge der Elektronen oder dem Gyroradius der Ionen) entwickeln Alfvén-Wellen ein bedeutendes elektrisches Feld parallel zum Hintergrundmagnetfeld; dies kann die Elektronen durch einen Prozess der Landau-Dämpfung beschleunigen. Wenn die Geschwindigkeit der Elektronen nahe an der Phasengeschwindigkeit der Welle liegt, werden sie beschleunigt, ähnlich wie ein Surfer, der von einer Meereswelle erfasst wird. Dieses sich ständig ändernde elektrische Feld der Welle kann Elektronen entlang der Feldlinie beschleunigen, so dass einige von ihnen auf die Atmosphäre treffen. Elektronen, die durch diesen Mechanismus beschleunigt werden, neigen dazu, ein breites Energiespektrum zu haben, im Gegensatz zu dem scharf zugespitzten Energiespektrum, das für Elektronen typisch ist, die durch quasistatische elektrische Felder beschleunigt werden. ⓘ
Neben der diskreten und diffusen Elektronenaurora wird die Protonenaurora durch den Zusammenstoß magnetosphärischer Protonen mit der oberen Atmosphäre verursacht. Dabei gewinnt das Proton ein Elektron, und das entstehende neutrale Wasserstoffatom sendet Photonen aus. Das dabei entstehende Licht ist zu schwach, um es mit bloßem Auge zu erkennen. Zu den anderen Polarlichtern, die hier nicht behandelt wurden, gehören die transpolaren Bögen (die sich polwärts der Polarlichtzone bilden), die Spitzenlichter (die sich in zwei kleinen Gebieten in hohen Breitengraden auf der Tagseite bilden) und einige nicht-terrestrische Polarlichter. ⓘ
Historisch bedeutsame Ereignisse
Die Entdeckung eines japanischen Tagebuchs aus dem Jahr 1770, das Polarlichter über der alten japanischen Hauptstadt Kyoto zeigt, deutet darauf hin, dass der Sturm 7 % größer gewesen sein könnte als das Carrington-Ereignis, das die Telegrafennetze beeinträchtigte. ⓘ
Die Polarlichter, die aus dem "großen geomagnetischen Sturm" am 28. August und 2. September 1859 resultierten, gelten jedoch als die spektakulärsten der jüngeren Geschichte. In einem Vortrag vor der Royal Society am 21. November 1861 beschrieb Balfour Stewart beide Polarlichtereignisse, wie sie von einem selbstaufzeichnenden Magnetographen am Kew Observatorium aufgezeichnet wurden, und stellte die Verbindung zwischen dem Polarlichtsturm vom 2. September 1859 und dem Carrington-Hodgson-Flare-Ereignis her, als er feststellte, dass "es nicht unmöglich ist, anzunehmen, dass in diesem Fall unser Himmelskörper auf frischer Tat ertappt wurde". Das zweite Polarlicht, das am 2. September 1859 auftrat, war das Ergebnis des (nicht sichtbaren) koronalen Massenauswurfs, der mit der außergewöhnlich intensiven Carrington-Hodgson-Weißlicht-Sonneneruption vom 1. September 1859 verbunden war. Dieses Ereignis erzeugte so weit verbreitete und außergewöhnlich helle Polarlichter, dass sie in den Vereinigten Staaten, Europa, Japan und Australien gesehen und in veröffentlichten wissenschaftlichen Messungen, Schiffslogbüchern und Zeitungen gemeldet wurden. Die New York Times berichtete, dass das Polarlicht am Freitag, dem 2. September 1859, in Boston "so hell war, dass man um etwa ein Uhr gewöhnliche Schriftzeichen im Licht lesen konnte". Ein Uhr EST-Zeit am Freitag, dem 2. September, wäre 6:00 GMT gewesen; der selbstaufzeichnende Magnetograph am Kew Observatory zeichnete den geomagnetischen Sturm, der damals eine Stunde alt war, in seiner vollen Intensität auf. Zwischen 1859 und 1862 veröffentlichte Elias Loomis im American Journal of Science eine Reihe von neun Artikeln über die Große Polarlichtausstellung von 1859, in denen er weltweite Berichte über das Polarlichtereignis sammelte. ⓘ
Es wird angenommen, dass dieses Polarlicht durch einen der intensivsten koronalen Massenauswürfe der Geschichte erzeugt wurde. Es ist auch deshalb bemerkenswert, weil es das erste Mal war, dass die Phänomene der Polarlichtaktivität und der Elektrizität eindeutig miteinander verbunden wurden. Diese Erkenntnis wurde nicht nur durch die wissenschaftlichen Magnetometermessungen der damaligen Zeit ermöglicht, sondern auch dadurch, dass ein erheblicher Teil der 125.000 Meilen (201.000 km) an Telegrafenleitungen, die damals in Betrieb waren, während des Sturms für viele Stunden unterbrochen war. Einige Telegrafenleitungen scheinen jedoch die geeignete Länge und Ausrichtung gehabt zu haben, um einen ausreichenden geomagnetisch induzierten Strom aus dem elektromagnetischen Feld zu erzeugen, der eine Fortsetzung der Kommunikation bei abgeschalteter Stromversorgung der Telegrafenbetreiber ermöglichte. Das folgende Gespräch fand in der Nacht des 2. September 1859 zwischen zwei Betreibern der amerikanischen Telegrafenlinie zwischen Boston und Portland, Maine, statt und wurde im Boston Traveler berichtet:
Betreiber in Boston (an Betreiber in Portland): "Bitte schalten Sie Ihre Batterie [Stromquelle] für fünfzehn Minuten komplett ab."
Betreiber von Portland: "Werde ich tun. Sie ist jetzt abgeklemmt."
Boston: "Meine ist abgeschaltet, und wir arbeiten mit dem Polarlichtstrom. Wie empfangen Sie mein Schreiben?"
Portland: "Besser als mit eingeschalteten Batterien. - Der Strom kommt und geht allmählich."
Boston: "Mein Strom ist manchmal sehr stark, und wir können besser ohne die Batterien arbeiten, da die Aurora unsere Batterien abwechselnd zu neutralisieren und zu verstärken scheint, so dass der Strom manchmal zu stark für unsere Relaismagnete ist. Nehmen wir an, wir arbeiten ohne Batterien, solange wir von diesem Problem betroffen sind."
Portland: "Sehr gut. Soll ich mit dem Geschäft fortfahren?"
Boston: "Ja. Fahren Sie fort." ⓘ
Das Gespräch wurde etwa zwei Stunden lang ohne Batteriebetrieb und nur mit dem durch die Aurora induzierten Strom geführt, und es wurde gesagt, dass dies das erste Mal war, dass mehr als ein oder zwei Worte auf diese Weise übertragen wurden. Diese Ereignisse führten zu der allgemeinen Schlussfolgerung, dass ⓘ
Die Wirkung der Polarlichter auf den elektrischen Telegrafen besteht im Allgemeinen darin, den elektrischen Strom, der beim Betrieb der Drähte erzeugt wird, zu verstärken oder zu vermindern. Manchmal neutralisiert es sie vollständig, so dass in der Tat keine Flüssigkeit [Strom] in ihnen zu entdecken ist. Das Polarlicht scheint aus einer Masse von elektrischer Materie zu bestehen, die in jeder Hinsicht derjenigen ähnelt, die von einer elektrischen galvanischen Batterie erzeugt wird. Die Ströme, die von ihr ausgehen, verändern sich, wenn sie auf die Drähte treffen, und wenn sie verschwinden, rollt die Masse der Aurora vom Horizont zum Zenit. ⓘ
Historische Ansichten und Folklore
Die früheste datierbare Aufzeichnung eines Polarlichts findet sich in den Bambus-Annalen, einer historischen Chronik der Geschichte des alten China, im Jahr 977 oder 957 v. Chr. Der griechische Entdecker Pytheas beschrieb im 4. Jahrhundert v. Chr. ein Polarlicht. Seneca schrieb im ersten Buch seiner Naturales Quaestiones über Polarlichter und klassifizierte sie z. B. als pithaei ("tonnenförmig"), chasmata ("Abgrund"), pogoniae ("bärtig"), cyparissae ("wie Zypressen") und beschrieb ihre vielfältigen Farben. Er schrieb darüber, ob sie sich über oder unter den Wolken befanden, und erinnerte sich daran, dass sich unter Tiberius ein Polarlicht über der Hafenstadt Ostia bildete, das so intensiv und rot war, dass eine Kohorte der Armee, die in der Nähe zum Feuerdienst stationiert war, zu Hilfe galoppierte. Es wird vermutet, dass Plinius der Ältere die Aurora borealis in seiner Naturgeschichte beschrieben hat, als er von trabes, chasma, "fallenden roten Flammen" und "Tageslicht in der Nacht" sprach. ⓘ
Die früheste Darstellung des Polarlichts könnte eine Cro-Magnon-Höhlenmalerei sein, die auf 30.000 v. Chr. datiert wird. ⓘ
Die älteste bekannte schriftliche Erwähnung des Polarlichts findet sich in einer chinesischen Legende aus der Zeit um 2600 v. Chr. Der Legende nach saß eine junge Frau namens Fubao in einem Herbst um 2000 v. Chr. allein in der Wildnis an einer Bucht, als plötzlich ein "magisches Lichtband" erschien, das wie "sich bewegende Wolken und fließendes Wasser" aussah und sich in einen hellen Heiligenschein um den Großen Wagen verwandelte, der in einem blassen silbernen Glanz erstrahlte, die Erde erleuchtete und Formen und Schatten lebendig erscheinen ließ. Von diesem Anblick bewegt, wurde Fubao schwanger und gebar einen Sohn, den Kaiser Xuanyuan, der der Legende nach als Begründer der chinesischen Kultur und Ahnherr aller Chinesen gilt. Im Shanhaijing wird ein Wesen namens "Shilong" beschrieben, das wie ein roter Drache am Nachthimmel leuchtet und dessen Körper tausend Meilen lang ist. Im Altertum hatten die Chinesen kein festes Wort für das Polarlicht, so dass es nach den verschiedenen Formen des Polarlichts benannt wurde, wie "Himmelshund ("天狗")", "Schwert/Messerstern ("刀星")", "Chiyou-Banner ("蚩尤旗")", "Offene Augen des Himmels ("天开眼")" und "Sterne wie Regen ("星陨如雨")". ⓘ
In der japanischen Folklore galten Fasane als Boten des Himmels. Forscher der japanischen Graduate University for Advanced Studies und des National Institute of Polar Research behaupteten jedoch im März 2020, dass es sich bei den roten Fasanenschwänzen, die im Jahr 620 n. Chr. am Nachthimmel über Japan zu sehen waren, um ein rotes Polarlicht handeln könnte, das während eines magnetischen Sturms entstand. ⓘ
In den Überlieferungen der australischen Ureinwohner wird die Aurora Australis häufig mit Feuer in Verbindung gebracht. So nannten die Gunditjmara in West-Victoria die Polarlichter puae buae ("Asche"), während die Gunai in Ost-Victoria die Polarlichter als Buschfeuer in der Geisterwelt betrachteten. Das Volk der Dieri in Südaustralien sieht in Polarlichtern kootchee, einen bösen Geist, der ein großes Feuer erzeugt. Das Volk der Ngarrindjeri in Südaustralien bezeichnet die Polarlichter über Kangaroo Island als Lagerfeuer der Geister im Land der Toten". Die Aborigines im Südwesten Queenslands glauben, dass die Polarlichter die Feuer der Oola Pikka sind, Geister, die durch die Polarlichter zu den Menschen sprechen. Das heilige Gesetz verbot es allen außer den männlichen Ältesten, die Botschaften der Ahnen zu sehen oder zu deuten, von denen sie glaubten, dass sie durch ein Polarlicht übertragen wurden. ⓘ
Bei den neuseeländischen Māori wurden die Aurora australis oder Tahunui-a-rangi ("große Fackeln am Himmel") von Vorfahren entzündet, die nach Süden in ein "Land aus Eis" gesegelt waren (oder von deren Nachkommen); bei diesen Menschen soll es sich um die Expeditionsgruppe von Ui-te-Rangiora handeln, die das antarktische Südmeer um das 7. ⓘ
In Skandinavien wird Norðrljós (das Nordlicht) erstmals in der norwegischen Chronik Konungs Skuggsjá aus dem Jahr 1230 n. Chr. erwähnt. Der Chronist hat von diesem Phänomen von Landsleuten gehört, die aus Grönland zurückkehrten, und gibt drei mögliche Erklärungen: dass der Ozean von riesigen Feuern umgeben war; dass die Sonnenfackeln um die Welt herum bis zu ihrer Nachtseite reichen konnten; oder dass Gletscher Energie speichern konnten, so dass sie schließlich fluoreszierend wurden. ⓘ
Walter William Bryant schrieb in seinem Buch Kepler (1920), Tycho Brahe "scheint so etwas wie ein Homöopath gewesen zu sein, denn er empfiehlt Schwefel zur Heilung von Infektionskrankheiten, die 'durch die schwefelhaltigen Dämpfe der Aurora Borealis' hervorgerufen werden". ⓘ
1778 stellte Benjamin Franklin in seiner Schrift Aurora Borealis, Suppositions and Conjectures towards forming an Hypothesis for its Explanation die Theorie auf, dass eine Aurora durch eine Konzentration elektrischer Ladung in den Polarregionen verursacht wird, die durch den Schnee und die Feuchtigkeit in der Luft verstärkt wird:
Könnte dann nicht die große Menge an Elektrizität, die durch die Wolken in die Polarregionen gebracht wird, dort kondensiert und in Schnee fällt, welche Elektrizität in die Erde eindringen würde, aber das Eis nicht durchdringen kann; könnte sie nicht, ich sage (wie eine überladene Flasche), durch diese niedrige Atmosphäre brechen und im Vakuum über die Luft in Richtung des Äquators laufen, sich mit der Vergrößerung der Längengrade ausbreitend, stark sichtbar, wo sie am dichtesten ist, und weniger sichtbar werdend, je mehr sie sich ausbreitet; bis sie einen Durchgang zur Erde in gemäßigteren Klimazonen findet oder sich mit der oberen Luft vermischt? ⓘ
Die Beobachtungen der rhythmischen Bewegung der Kompassnadeln unter dem Einfluss eines Polarlichts wurden in der schwedischen Stadt Uppsala von Anders Celsius und Olof Hiorter bestätigt. Im Jahr 1741 konnte Hiorter große magnetische Schwankungen mit einem über dem Himmel beobachteten Polarlicht in Verbindung bringen. Dieser Beweis trug dazu bei, ihre Theorie zu untermauern, dass "magnetische Stürme" für solche Kompassschwankungen verantwortlich sind. ⓘ
Um das Spektakel ranken sich eine Reihe von indianischen Mythen. Der europäische Entdecker Samuel Hearne reiste 1771 mit den Chipewyan Dene und zeichnete ihre Ansichten über das ed-thin ("Karibu") auf. Laut Hearne sahen die Dene die Ähnlichkeit zwischen einem Polarlicht und den Funken, die entstehen, wenn man das Fell eines Karibu streichelt. Sie glaubten, dass die Lichter die Geister ihrer verstorbenen Freunde waren, die am Himmel tanzten, und wenn sie hell leuchteten, bedeutete dies, dass ihre verstorbenen Freunde sehr glücklich waren. ⓘ
In der Nacht nach der Schlacht von Fredericksburg wurde vom Schlachtfeld aus ein Polarlicht gesehen. Die Armee der Konföderierten nahm dies als Zeichen dafür, dass Gott auf ihrer Seite war, da die Lichter so weit im Süden selten zu sehen waren. Das Gemälde Aurora Borealis von Frederic Edwin Church wird weithin so interpretiert, dass es den Konflikt des amerikanischen Bürgerkriegs darstellt. ⓘ
Einer britischen Quelle aus der Mitte des 19. Jahrhunderts zufolge waren Polarlichter vor dem 18. Jahrhundert ein seltenes Ereignis. Sie zitiert Halley mit den Worten, dass vor dem Polarlicht von 1716 seit mehr als 80 Jahren kein derartiges Phänomen mehr aufgezeichnet worden war, und seit 1574 keines von Bedeutung. In den Transactions of the French Academy of Sciences wird zwischen 1666 und 1716 kein einziges Phänomen verzeichnet. Und dass ein einziges Polarlicht, das in der Berliner Miszelle für das Jahr 1797 aufgezeichnet wurde, als ein sehr seltenes Ereignis bezeichnet wurde. Eine im Jahr 1723 in Bologna beobachtete Erscheinung wurde als die erste bezeichnet, die dort jemals gesehen wurde. Celsius (1733) stellt fest, dass die ältesten Einwohner von Uppsala das Phänomen vor 1716 für eine große Seltenheit hielten. Der Zeitraum von etwa 1645 bis 1715 entspricht dem Maunder-Minimum der Sonnenfleckenaktivität. ⓘ
In Robert W. Service's satirischem Gedicht "The Ballad of the Northern Lights" (1908) entdeckt ein Goldsucher im Yukon, dass die Aurora das Glühen einer Radiummine ist. Er steckt seinen Claim ab und geht in die Stadt, um Investoren zu finden. ⓘ
In den frühen 1900er Jahren legte der norwegische Wissenschaftler Kristian Birkeland den Grundstein für das heutige Verständnis des Geomagnetismus und der Polarlichter. ⓘ
Vor oder außerhalb der wissenschaftlichen Erklärungen bestanden zahlreiche Legenden und Sagen. Die Völker in Lappland, Sibirien und Alaska glaubten hier Zeichen ihrer Götter zu sehen, die auf diese Weise mit ihnen in Verbindung treten wollten. Die Zeichen galten oft als Vorboten für schlimme Zeiten wie Krieg, Pest, Hungersnot. Ebenfalls ein nahendes Unglück vermuteten die Samen, Skandinaviens Ureinwohner, besonders beim Aufleuchten roter Farbschleier. In ihrem Fall wurden allerdings die Toten als Auslöser vermutet, man verbot den Kindern auf die Straße zu gehen und wartete schweigend darauf, dass sich die Toten wieder zur Ruhe legten. Ebenfalls an Aktivitäten der Geister ihrer Verstorbenen glaubten die Inuit. Diese gingen jedoch davon aus, dass das Leuchten durch einen hin und her geworfenen Walross-Schädel beim Ballspielen entstand. Ebenfalls bei den Inuit fand sich die Auffassung, die Lichter seien eine Brücke ins Jenseits, die von Fackeln der Toten beleuchtet wird, um frisch Gestorbenen Orientierung zu bieten. Die indigenen Völker in Kanada meinten, dass sich ihr leuchtend in Erscheinung tretender Gott über das Wohlbefinden seiner Stämme vergewissern wollte. Eine kleine Geschichte diente den Wikingern als Erklärung. Sie sahen in den Polarlichtern das Zeichen, 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 spiegelte sich das Licht des Mondes auf ihren schimmernden Rüstungen und die bunten Nordlichter entstanden. 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. 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. ⓘ
Am 2. September 1859 waren Polarlichter auf der Nordhalbkugel bis in die Tropen zu sehen. Ursache war ein durch koronalen Massenausstoß ausgelöster geomagnetischer Sturm von außergewöhnlicher Stärke. Es wird vermutet, dass eine ähnlich starke Eruption heute zu einem weltweiten Blackout führen würde. ⓘ
Auf anderen Planeten
Sowohl Jupiter als auch Saturn haben Magnetfelder, die stärker sind als die der Erde (Jupiters äquatoriale Feldstärke beträgt 4,3 Gauß, verglichen mit 0,3 Gauß auf der Erde), und beide haben ausgedehnte Strahlungsgürtel. Polarlichter wurden auf beiden Gasplaneten beobachtet, am deutlichsten mit dem Hubble-Weltraumteleskop und den Raumsonden Cassini und Galileo, sowie auf Uranus und Neptun. ⓘ
Die Polarlichter auf Saturn scheinen wie die auf der Erde durch den Sonnenwind angetrieben zu werden. Die Polarlichter des Jupiters sind jedoch komplexer. Das Haupt-Oval der Jupiter-Aurora steht in Zusammenhang mit dem Plasma, das vom Vulkanmond Io erzeugt wird, und dem Transport dieses Plasmas innerhalb der Magnetosphäre des Planeten. Ein unbestimmter Teil der Jupiter-Aurore wird durch den Sonnenwind angetrieben. Darüber hinaus sind die Monde, insbesondere Io, ebenfalls starke Quellen von Polarlichtern. Diese entstehen durch elektrische Ströme entlang von Feldlinien ("field aligned currents"), die durch einen Dynamomechanismus aufgrund der relativen Bewegung zwischen dem rotierenden Planeten und dem sich bewegenden Mond erzeugt werden. Io, der über aktiven Vulkanismus und eine Ionosphäre verfügt, ist eine besonders starke Quelle, deren Ströme auch Radioemissionen erzeugen, die seit 1955 untersucht werden. Mit dem Hubble-Weltraumteleskop wurden Polarlichter über Io, Europa und Ganymed beobachtet. ⓘ
Auch auf der Venus und dem Mars sind Polarlichter beobachtet worden. Da die Venus kein Magnetfeld hat, erscheinen Venus-Auroras als helle und diffuse Flecken von unterschiedlicher Form und Intensität, die manchmal über die gesamte Planetenscheibe verteilt sind. Ein Venusorakel entsteht, wenn Elektronen aus dem Sonnenwind mit der nächtlichen Atmosphäre kollidieren. ⓘ
Auf dem Mars wurde am 14. August 2004 mit dem Instrument SPICAM an Bord von Mars Express ein Polarlicht entdeckt. Das Polarlicht befand sich auf Terra Cimmeria, in der Region 177° Ost, 52° Süd. Die Gesamtgröße der Emissionsregion betrug etwa 30 km im Durchmesser und war möglicherweise etwa 8 km hoch. Bei der Analyse einer Karte der magnetischen Anomalien der Erdkruste, die mit Daten des Mars Global Surveyor erstellt wurde, stellten die Wissenschaftler fest, dass die Region der Emissionen mit einem Gebiet übereinstimmt, in dem das stärkste Magnetfeld lokalisiert ist. Diese Korrelation deutet darauf hin, dass der Ursprung der Lichtemission ein Elektronenfluss ist, der sich entlang der magnetischen Linien der Kruste bewegt und die obere Marsatmosphäre anregt. ⓘ
Zwischen 2014 und 2016 wurden auf dem Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko von mehreren Instrumenten auf der Raumsonde Rosetta kometare Polarlichter beobachtet. Die Polarlichter wurden bei weit ultravioletten Wellenlängen beobachtet. Die Koma-Beobachtungen zeigten atomare Emissionen von Wasserstoff und Sauerstoff, die durch die Photodissoziation (und nicht durch Photoionisation wie bei irdischen Auroren) von Wassermolekülen in der Koma des Kometen verursacht werden. Die Wechselwirkung von beschleunigten Elektronen aus dem Sonnenwind mit Gasteilchen in der Koma ist für die Aurora verantwortlich. Da der Komet 67P kein Magnetfeld hat, ist die Aurora diffus um den Kometen verteilt. ⓘ
Es wird vermutet, dass Exoplaneten, wie z. B. heiße Jupiter, in ihren oberen Atmosphären ionisiert werden und ein Polarlicht erzeugen, das durch das Wetter in ihren turbulenten Troposphären verändert wird. Bisher wurde jedoch noch keine Aurora auf Exoplaneten nachgewiesen. ⓘ
Die ersten extrasolaren Polarlichter wurden im Juli 2015 über dem Braunen Zwergstern LSR J1835+3259 entdeckt. Das hauptsächlich rote Polarlicht war eine Million Mal heller als das Nordlicht, was auf die Wechselwirkung der geladenen Teilchen mit dem Wasserstoff in der Atmosphäre zurückzuführen ist. Es wurde spekuliert, dass stellare Winde möglicherweise Material von der Oberfläche des Braunen Zwerges abtragen, um ihre eigenen Elektronen zu erzeugen. Eine andere mögliche Erklärung für die Polarlichter ist, dass ein noch nicht entdeckter Körper um den Zwergstern Material abwirft, wie es bei Jupiter und seinem Mond Io der Fall ist. ⓘ
Auftreten
Häufigkeit
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 2013/14) 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 Erdachse 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 2013/14 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. ⓘ
Historische wissenschaftliche Theorien
Im 18. Jahrhundert wurden 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. ⓘ
Eine viele Jahrzehnte lang aufrechterhaltene und immer noch verbreitete moderne Theorie besagt, Polarlichter 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 stark vereinfacht 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. ⓘ
Einfluss auf technische Einrichtungen
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 von Polarlichtern herbeigeführte Reflexion der Funksignale in einer Störung und Verfälschung der Audiomodulation in charakteristischer Weise, nämlich Verbrummen und Rauheit im Ton, resultiert, werden die Verbindungen oft in der Betriebsart Morsetelegrafie (CW, A1A) durchgeführt. ⓘ
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. ⓘ
Philatelistisches
Mit dem Erstausgabetag 7. April 2022 gab die Deutsche Post AG in der Serie Himmelsereignisse: Polarlicht ein Postwertzeichen im Nennwert von 100 Eurocent heraus. Der Entwurf stammt von der Grafikerin Bettina Walter aus Bonn. ⓘ