Das Nordlicht
Ein kurzes Informationsvideo über das Nordlicht.
Das Nordlicht, das Polarlicht, die aurora borealis - die Morgenröte des Nordens oder die aurora australis - die Morgenröte des Südens.
All das sind Bezeichnungen für ein und dasselbe Phänomen, dessen Ursprung im Kern der Sonne zu finden ist. Die im Inneren des Sterns durch Kernfusionsprozesse erzeugte Energie wird in Form von Licht des gesamten elektromagnetischen Spektrums abgestrahlt. Zudem werden Teilchen wie Protonen, Neutronen und Elektronen fortwährend von der Sonne ausgesandt. Der als Sonnenwind bezeichnete Teilchenstrom erreicht die Erde zu jeder Zeit.
In maßlos energiegeladenen Strahlungseruptionen, sogenannten Flares, verläßt besonders viel und besonders schnelle Materie unseren Stern. In einem 11-jährigen Zyklus steigert und vermindert sich die Aktivität der Sonne. Im Aktivitätsmaximum erhöhen zahlreiche Flares die Teilchenstrahlung. Dagegen treten während eines Aktivitätsminimums gehäuft sogenannte koronale Löcher auf. Koronale Löcher sind Bereiche in der Sonnenatmosphäre (der Korona), in denen nur schwache Magnetfelder auftreten, so dass die ionisierten Partikel die Korona ungehindert passieren können. Der abströmende Sonnenwind kann dadurch die Sonnenoberfläche mit höherer Geschwindigkeit und Teilchendichte verlassen.
Treffen die Partikel schließlich auf das Magnetfeld der Erde, wird es zusammengedrückt. Die meisten Teilchen werden um die Erde herum gelenkt, einige werden jedoch durch das Auseinanderreißen und Zusammenfallen der Magnetfeldlinien (magnetische Rekonnexion) eingefangen und beschleunigt. In den polaren Gebieten der Erde, an denen die Magnetfeldlinien in die Erdoberfläche eindringen, treffen die Teilchen auf die obere Erdatmosphäre und regen Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle zum Leuchten an. Das geschieht, weil sich die Elektronenkonfiguration der angeregten Moleküle ändert. Die äußeren Elektronen werden auf einen höheren und damit energiereicheren Orbit um den Atomkern gehoben. Nach einer zufälligen Zeitdauer fallen sie wieder in ihren ursprünglichen Orbit zurück. Das Bestreben der Natur, immer den niedrigsten Energiezustand zu erreichen ist dafür verantwortlich. Die zuvor aufgenommene Energie wird durch das Zurückfallen des Elektrons wieder freigesetzt und in Form von Licht abgestrahlt, welches die Erdenbewohner als Nordlicht sehen können. Je nach Element und Energieniveau, auf das die Elektronen durch die Sonnenteilchen gehoben werden, strahlen Nordlichter in verschiedenen Farben.
Die geringste Energieabstrahlung erfolgt von Sauerstoffmolekülen in 80 bis 120 Kilometern Höhe als grünes Licht. In 200 Kilometern Höhe strahlt Sauerstoff in rotem Licht. Dafür sind höhere Teilchenenergien von der Sonne nötig, um die dünner verteilte Atmosphäre in dieser Höhe anzuregen. Noch energiereicher muss die Teilchenenergie sein, um violettes Licht von Stickstoffmolekülen in bis zu 400 Kilometern Höhe zu generieren. Bei sehr hellem Nordlicht, gehen die hellen Grüntöne in ein weißes Licht über. Dagegen sehen sehr schwache Nordlichter deswegen weiß oder gräulich aus, weil das menschliche Auge bei Dunkelheit keine Farben mehr erkennen kann. In Horizontnähe wird das Grün zu einem Olivgelb. Dafür ist die Lichtbrechung der Erdatmosphäre verantwortlich. Der gleiche Effekt läßt die Sonne bei ihrem Auf- oder Untergang rötlich erscheinen.
Ebenso vielfältig wie die Farben sind die Formen der Nordlichter. Meist beginnt es mit einem mehr oder weniger hellen grünen Bogen, der sich von Nordost nach Nordwest über den Himmel spannt. Bei schwacher Aktivität verblasst dieser nach einiger Zeit und verschwindet. Meist entwickelt sich aus dem Bogen jedoch eine stärkere Aktivität. Vertikale Strahlen oder Beamer bilden sich in Sekunden und verschwinden ebenso schnell wieder. Oft zieht das Nordlicht in einem oder mehreren Bändern über das Firmament.
Bei starker Aktivität wandert das Nordlicht in den südlichen Himmelssektor. Wenn es dann direkt über dem Beobachter im Zenit aufleuchtet, ist eine besonders faszinierende Nordlicht-Korona zu beobachten. Durch die geringstmögliche Entfernung erscheinen die Farben und Formen sowie die Bewegungen eines Nordlichtes in einer Korona am deutlichsten. Nach einem starken Ausbruch zerrinnen die Strukturen oft in einem gleichmäßigen Nebel oder Schleier. Dieser bleibt oft für längere Zeit bestehen. In dem Nebel ist manchmal das sogenannte pulsierende Nordlicht zu erkennen. Dann sind Helligkeitsschwankungen im Sekundentakt zu sehen. Die Ursache dafür ist noch nicht erforscht. Manchmal sind sogar alle Formen und Farben annähernd gleichzeitig am Himmel zu sehen.
Wenn ein geomagnetischer Sturm vorüber ist, kehrt im Erdmagnetfeld meist schnell wieder Ruhe ein. Wie stark ein geomagnetischer Sturm ist wird mit dem sogenannten Kp-Wert beschrieben. Dieser reicht von 0 bis 9 und gibt im 3-stündigen Mittel die Stärke der Turbulenzen im gesamten Erdmagnetfeld an. Kurzzeitig und an bestimmten Stellen der Erde kann der Wert aber auch viel höher oder niedriger sein.
Folgende Parameter der Sonnenteilchen sind ausschlaggebend für die Aktivität von Nordlichtern:
Die Teilchengeschwindigkeit: Der Sonnenwind hat normalerweise eine Geschwindigkeit von 200-300 km/s. Aus koronalen Löchern kann er mit höherer Geschwindigkeit abstrahlen. Bei starken Flares erreicht er aber Geschwindigkeiten bis 2000 km/s. Auf dem Weg zu unserem Heimatplaneten werden die Teilchen jedoch langsamer. Wenn sie die Erde mit 800 bis 1000 km/s erreichen, ist mit einem schweren geomagnetischen Sturm zu rechnen, weil sich mit steigender Geschwindigkeit die Energie der Teilchen stark erhöht.
Die Teilchendichte: Je höher die Teilchendichte aus Protonen, Neutronen und Elektronen ist, desto höher ist auch der Energieeintrag ins Erdmagnetfeld. 0 bis 5 Teilchen pro Kubikzentimeter sind der normale Wert. Bei starken Sonneneruptionen kann die Dichte auf über 50 Teilchen pro Kubikzentimeter ansteigen.
Die Ausrichtung des interplanetaren Magnetfeldes: Das interplanetare Magnetfeld, welches der Sonnenwind als magnetisch leitendes Plasma mit sich führt, verändert stetig die Polarität. Ist das Magnetfeld beim Eintreffen der Sonnenmaterie entgegengesetzt zum Erdmagnetfeld ausgerichtet, sind die Auswirkungen besonders groß. Dann können die Nordlichter auch in weiter südlich gelegenen Breitengraden der Erde gesichtet werden.
Der Sonnenforschungssatellit SOHO befindet sich etwa 1,5 Millionen Kilometer entfernt in Richtung Sonne und kann die Parameter des Sonnenwindes mit einer Vorlaufzeit von etwa 30-60 Minuten messen. Er dient somit als verlässliches, aber kurzfristiges Vorhersage-Instrument für die Auswirkungen eines Sonnensturmes auf die Erde.
