Abb. 1: Graphical Abstract zum Thema der Entstehung von Polarlichtern
Gliederung
- Einleitung
- Das Polarlicht – ein Bespiel der astronomischen Strahlungseinflüsse auf die Erde
- Das Erdmagnetfeld
- Sonne, Sonnenwinde, Sonnenstürme
- Weitere Auswirkungen anderer Strahlungseinflüsse
- Forschungsprojekte
- Fazit
- Literaturverzeichnis
1. Einleitung
Polarlichter oder auch aurora borealis (Nordhemisphäre), aurora australis (Südhemisphäre) (vgl. article aurora) faszinieren die Menschen schon seit Jahrhunderten und ihre Erklärungsversuche gehen weit in die Vergangenheit über verschiedene Ansätze zurück. Um bis zur heutigen physikalischen Erklärung zu gelangen hat es etliche Theorien und Forschungsansätze gebraucht. Heute weiß man, dass das Polarlicht aus Ionen und Elektronen besteht, die zu leuchten beginnen und somit wie ein bunter Nebel an den Polen sichtbar sind. Sie sind dabei das Ergebnis von Sonnenwinden und deren Strahlungsauswirkung auf das Erdmagnetfeld. Was das genau bedeutet, wie ein solcher physikalischer Prozess abläuft und was das für Auswirkungen hat, wird im Folgenden erklärt.
2. Das Polarlicht – ein Beispiel der astronomischen Strahlungseinflüsse auf die Erde
Es gab über die Jahrhunderte verschiedenste Ansätze zur Erklärung des Polarlichts. Alles fing mit Mythen, Sagen und dem angeblichen Beweis göttlicher Existenz an. Viele vage Theorien entstanden im Laufe der Zeit, insbesondere physikalische Ansätze entwickelten sich. Einer dieser Ansätze bestand darin, dass das Polarlicht im Zusammenhang mit Elektrizität stehen könnte – obwohl man zu diesem Zeitpunkt noch gar nicht wusste, was Elektrizität überhaupt war. Ende des 19. Jahrhunderts verstand man jedoch, dass Elektrizität mit der Existenz von Ionen und Elektronen zusammenhängt und ein Strom von Ladungsträgern darstellt. Diese Ladungsträger können Gas zum Leuchten anregen, was ein Meilenstein in der Erklärung des Polarlichts darstellte (Schlegel 2011: 111). Weitere Fortschritte zur Erklärung des Polarlichts lieferte der norwegische Forscher Kristian Birkeland Anfang des 20. Jarhunderts. Er bewies mit einem Experiment, in dem er eine magnetisierte Kugel mit fluoreszierender Farbe beschoss, dass die Pole unter bestimmten Umständen zu leuchten beginnen und elektrisch geladene Teilchen der Grund dafür sind. Lediglich die Annahme Birkelands, dass die Teilchen von der Sonne kämen, wurde später revidiert (Birkeland 1913: 667).
2.1. Geschichten über das Polarlicht
Es gibt sowohl Geschichten von Polarlichtern als auch Polarlichter in der Geschichte. Die Geschichten von Polarlichtern befassen sich in der Regel mit mythischen Sagen und Erklärungen über das tanzende Licht am Himmel (Schlegel 2011: 1 ff.). Zu ihm sind verschiedene Märchen und Deutungen entstanden, die häufig mit der Existenz von Übernatürlichem in Verbindung stehen. Dabei kann das Übernatürliche sowohl ein Vorbote für Positives als auch Negatives sein – je nach Mythos.
In der Geschichte der Polarlichter hingegen geht es um besonders auffällige Polarlichtereignisse oder welche, die in historischen Quellen zu finden sind, wie in der Bibel oder antiken Schriften (Schlegel 2011: 33ff.). Auffällig bei egal welchen Geschichten ist, dass die Polarlichter oft als Feuer im Himmel angesehen werden und teilweise mit dem Erscheinen von Murmel- oder Trommellauten verbunden sind. Die Erklärung des Feuers am Himmel lässt sich leicht mit den verschiedenen Formen und Farben des Polarlichts deuten, das Dasein von Geräuschen wird jedoch bis heute von Naturwissenschaftlichen angezweifelt und in neuen Projekten genauer untersucht.
2.2. Die Eigenschaften des Polarlichts
Die Formen und Farben von Polarlichtern können variieren. Eine der häufigsten Formen, aus der sich teilweise auch andere ergeben, ist die des ruhigen Bogens, der grünlich am Himmel steht. Dieser Bogen kann sich je nach Strahlungseinfluss in verschiedene Formen und Farben wandeln. Weitere häufige Formen sind spiralähnliche Gebilde oder der so genannte Polarlichtvorhang (Schlegel 2011: 21 ff.). Dabei sind neben der grünlichen Farbe auch noch rote oder violette changierende Farbverläufe möglich. Die extremen Farb- und Formverläufe finden sich dabei in der Regel erst ab dem 60 Breitengrad wieder. Neben dem Stand des Betrachters spielt aber auch die Höhe der sich bewegenden Teilchen eine Rolle. Je nach Höhe verändert sich hierbei die Farbe. Grüne und Violette Farbtöne finden sich überwiegend in einer Höhe von 100-250 km über NN – rote Farbtöne liegen bei weitem höher in etwa 150-400 km Höhe (Schlegel 2011: 138ff.)
3. Das Erdmagnetfeld
Das Erdmagnetfeld umgibt die Erde ähnlich wie es bei einem Stabmagneten der Fall ist – in der Forschung spricht man wegen der zwei Pole von einem Dipolfeld. Wichtig ist dabei, dass es sich bei der weiteren Nutzung des Begriffs „Pol“ nicht um die beiden geographischen Pole (Nord- und Südpol) handelt, sondern um die erdmagnetischen Pole (Liebenstein 2016: 336). Innerhalb dieses großen Magnetfeldes gibt es auch noch ein schwächeres, das durch Ströme der Ionons- und Magnetosphäre ausgelöst wird und für das Polarlicht verantwortlich ist (Schlegel 2011: 104f.). Die Existenz der Ionosphäre wurde 1902 durch Arthur Kennelly und Oliver Heaviside nachgewiesen. Es handelt sich in erster Linie dabei um eine in der oberen Atmosphäre liegenden leitenden Schicht und wurde, ohne es zu wissen, als Übertragungsmedium von Nachrichten von den Kontinenten Europa und Nordamerika genutzt. Diese so genannte Kennelly-Heaviside-Layer wurde erst 1947 von Sir Edward Appleton mithilfe von Radiowellen tatsächlich nachgewiesen (Schlegel 2011: 115).
4. Sonne, Sonnenwinde, Sonnenstürme
Die Sonne besitzt ebenso wie die Erde ein Magnetfeld (interplanetares Magnetfeld), was jedoch im Vergleich zu dem der Erde sehr schwach ist. Außerdem herrschen auf der Sonne durch die Kraft der Kernfusion im Inneren verschiedene Winde, die wir als Sonnenwinde bezeichnen. Diese Sonnenwinde verteilen sich durch den Weltraum und treffen somit auch die Erde, welche jedoch durch das Erdmagnetfeld stark vor den Sonnenwinden geschützt ist. Durch den Effekt, wie es bei einem Stabmagneten der Fall ist (Lorentzkraft), werden die Sonnenwinde in Richtung der Pole abgewandt. Dabei ist es möglich, dass über die Feldlinienverschmelzung Elektronen aus dem Sonnenwind in die Magnetosphäre der Erde eindringen.
Innerhalb dieses Magnetfelds bilden diese Elektronen dann mit den vorhandenen Ionen ein Teilchenreservoir. An dem Punkt, wo es zu der Feldlinienverschmelzung kommt, treten daher besonders häufig Polarlichter auf. Man muss sich das ganze wie eine Art Dynamo vorstellen, weil durch das Eintreten der Elektronen in die Magnetosphäre die Teilchen beschleunigt werden und durch die Hitze beginne zu leuchten. Deutlich wird dieser beschriebene Prozess in Abbildung 1 (Schlegel 2011: 155ff.)
Besondere Polarlichtereignisse treten daher dann auf, wenn sich auf der Sonne besondere Ereignisse z.B. Sonnenstürme. Sonnenstürme sind explosionsartige Eruptionen, die Gasblasen in den Weltraum freisetzen. Wir erkennen diese als seltsame Flecken auf der Sonne und bereits im 19. Jahrhundert wurde ein Zusammenhang der Flecken mit dem Polarlicht festgestellt (Schlegel 2011: S. 108). Die Sonnenstürme verursachen beim Auftreffen auf das Erdmagnetfeld so starke Verformung des Erdmagnetfeldes, dass es sogar möglich wird, Polarlichter in unseren geographischen Breiten (z.B. in Mitteleuropa) zu beobachten. Das letzte Polarlicht, dass wir hier in Deutschland mit dem bloßen Auge sehen konnten, ereignete sich in der Nacht vom 3. auf den 04. August 2010 (Schlegel 2011: 164 ff.).
5. Weitere Auswirkungen anderer Strahlungseinflüsse
Auch andere Teilchen und Strahlungen gehen von der Sonne aus, nicht nur die Sonnenwinde. Diese Strahlungen nennt man: Wärmestrahlung, Licht, Ultraviolettstrahlen und Röntgenstrahlen (siehe Abb. 2). Unser irdisches Wetter wird dabei insbesondere von der Wärmestrahlung und dem sichtbaren Licht beeinflusst, die durch die Absorption in der Troposphäre Temperatur- und Druckunterschiede entstehen lassen. Man könnte also sagen, ohne Strahlungseinflüsse hätten wir hier unten auf der Erde große Schwierigkeiten zu überleben (Völkle 2011: 77).
Das Polarlicht bildet jedoch nicht den einzigen nachweislichen Weltraumwettereffekt, den wir kennen. Unsere Erde umgibt z.B. ein Stromsystem in der Magnetosphäre, den polaren Elektrojet. Dieser ist u.a. die Primärspule für unseren Wechselstrom dar. Damit kann das Weltraumwetter einen enormen Einfluss auf unsere Elektrogeräte auslösen und diese theoretisch sogar unbrauchbar machen (siehe Abb. 3). Ein Beispiel dafür ist der Sonnensturm im März 1989, der das komplette Stromnetz der Province Quebec in Kanada unterbrach (Schlegel 2000: 222-226).
Neben Einflüssen der Sonne auf das Weltraumwetter, gibt es jedoch auch noch viele weitere wie den Einfluss der UV-, Röntgen- und Gammastrahlung der Milchstraße auf unser Leben auf der Erde. Auch von der Milchstraße gehen diese Wellen aus und bedingen damit ebenfalls das Erdmagnetfeld (Schlegel 2011: 184). Leider kann man all diese Ereignisse des Weltraumwetters bisher noch nicht zuverlässig vorhersagen, auch wenn in den letzten Jahren enorme Fortschritte erreicht wurden.
6. Forschungsprojekte
6.1. Forschungsprojekt 1: Polarlichter und Geräusche
Immer wieder berichten Augenzeugen von Geräuschen während des Betrachtens der Polarlichter. Diese reichen von einem Knall über Trommelwirbel bis hin zu einem Rauschen. Bisher wurde davon ausgegangen, dass es sich bei den Geräuschen um Täuschungen handelt, jetzt wurden und werden diese jedoch genauer untersucht (Lenz 2013).
Mittlerweile gehen Forscher davon aus, dass es für das Wahrnehmen der Geräusche verschiedene Voraussetzungen wie die Intensität des Sonnenwindes und der aktuellen Wetterlage bedarf. So wie der bisherige Stand der Forschung ist, sieht es so aus, als würde kurz vor dem Auftreten der Geräusche eine Art elektrische Entladung, mit einem Gewitter vergleichbar, auftreten (Meyer 2020).
6.2. Forschungsprojekt 2: Die Gefahr durch Sonnenstürme für unsere Erde
Mittlerweile ist bekannt, dass Sonnenstürme insbesondere unsere Elektronik stark beeinflussen können. Ein Beispiel dafür wurde bereits erwähnt, der Stromausfall 1989 in Kanada. Ziel der heutigen Forschung ist es herauszufinden, wie man solche enormen Wetterereignisse im Weltraum vorhersagen kann, um uns bestmöglich dagegen zu schützen – soweit dies überhaupt möglich ist. Was wir bisher über die Sonnenstürme wissen ist nicht viel: Sie lösen in erster Linie keine drastischen Gesundheitsschäden aus, unsere Telekommunikation und Elektronik wird stark beeinflusst und alle 100 bis 200 Jahre tritt ein besonders starker Sonnensturm auf. Grund dafür ist stets eine große Eruption auf der Sonne, die den sonst normalen Sonnenwind in einen Sturm verwandelt (mdr 2019).
7. Fazit
Festzuhalten bleibt, dass die Strahlung innerhalb des Weltraums, insbesondere ausgehend von der Sonne, einen großen Einfluss auf unser Leben nimmt. Zum Glück können wir sagen, dass wir durch verschiedene physikalische Mechanismen der Atmosphäre gut gegen diese Einflüsse geschützt sind, da ein Leben auf der Erde sonst nicht möglich wäre. Ein für den Menschen mit bloßen Augen sichtbares physikalisches Ereignis ist das Polarlicht. Dieses hängt mit verschiedenen physikalischen Einflüssen im Weltraumgeschehen zusammen und veranschaulicht diesen Prozesse daher sehr gut, weshalb ich meinen Fokus der Arbeit daraufgelegt habe.
8. Literaturverzeichnis
- Birkeland, K.: The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902– 1903, Volume 1, Section 2, 667, Christiania, 1913.
- Schlegel, Birgit; Schlegel, Kristian (2011): Polarlichter zwischen Wunder und Wirklichkeit. Kulturgeschichte und Physik einer Himmelserscheinung. Heidelberg.
- Schlegel, K.: Wenn die Sonne verrückt spielt. Physik in unserer Zeit, 5, 222–226, 2000. von Liebenstein, Reinhard (2016): Das magnetische Feld. In: Plaßmann, W.; Schulz, D: Handbuch Elektrotechnik. Wiesbaden.
- Völkle, H. (2011): Die kosmische Strahlung. In: Bulletin der Naturforschenden Gesellschaft Freiburg. Band 100. S. 75-109.
- Augsburger Allgemeine (2014): Was ist ein Sonnensturm – wie gefährlich ist er?: https://www.augsburger-allgemeine.de/wissenschaft/Was-ist-ein-Sonnensturm-wiegefaehrlich-ist-er-id31309822.html.
- Barwanietz, U. (2017): Das Geräusch der Polarlichter: https://www.swr.de/swr2/wissen/article-swr-12454.html.
- Encyclopedia of the Antartic, Artikel Aurora (engl.): http:// cw.routledge.com/ref/antarctic/aurora.html.
- Fotocommunity Polarlichtbild: https://www.fotocommunity.de/photo/polarlichter-pascal-wieczorek/41721551.
- Gerber, O. (2016): Lassen sich Nordlichter hören?: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/lassen-sich-nordlichterhoeren/.
- Lenz, D. (2013): Polarlichter verursachen Geräusche: https://www.forschung-undwissen.de/nachrichten/astronomie/polarlichter-verursachen-geraeusche-13371862.
- Mdr (2019): Mega-Sonnenstürme – Die Gefahr aus dem Weltall: https://www.mdr.de/wissen/faszination-technik/mega-sonnenstuerme-und-ihrefolgen-100.html.
- Meyer, G. (2020): So entstehen die Klänge des Nordlichts: https://www.welt.de/wissenschaft/article178259152/Polarlichter-Warum-erzeugensie-manchmal-Klaenge.html.
- Simpleclub (2014): Die Lorentzkraft & Die Linke-Hand-Regel: https://www.youtube.com/watch?v=snM3g4zWeNw.
- Simpleclub (2014): Polarlichter/Nordlichter – Wie entstehen sie?: https://www.youtube.com/watch?v=G6jhwaYvGwo.
- Terra X (2020): Wie Polarlichter entstehen: https://www.youtube.com/watch?v=gixNSiqdyVU.
- Wilde, A. (2016): Die Gefahr durch Sonnenstürme für unsere Technik: tagesspiegel.de/wissen/weltraumwetter-die-gefahr-durch-sonnenstuerme-fuerunsere-technik/13955920.html.
- Zgrzendek, D. (2020): Können Polarlichter gefährlich werden?: https://sonnensturm.info/koennen-polarlichter-gefaehrlich-werden-6142.
