Das Polarlicht (als Nordlicht am Nordpol wissenschaftlich Aurora Borealis, als Südlicht am Südpol Aurora Australis) ist eine Leuchterscheinung (genauer ein Elektrometeor), die beim Auftreffen geladener Teilchen des Sonnenwindes auf die Erdatmosphäre in den Polargebieten der Erde hervorgerufen wird. Polarlichter sind meistens in zwei etwa 3 bis 6 Breitengrade umfassenden Bändern zu sehen, die üblicherweise ab ca. 66,5° nördlicher Breite bzw. südlicher Breite auftreten (die genaue Lage variiert allerdings in Abhängigkeit von Jahreszeit und Stärke der Sonnenaktivität); direkt an den Polen sind sie selten.
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Entstehung
Polarlichter entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen der Magnetosphäre, hauptsächlich Elektronen, aber auch Protonen, auf einige schwere Ionen (Sauerstoff und Stickstoff) in den oberen Schichten der Erdatmosphäre treffen und Prozesse auslösen, die zu geänderten Elektronenkonfigurationen führen. Bei der nach kurzer Zeit wieder erfolgenden Abregung wird Licht ausgesandt (Fluoreszenz).
Auch Kernwaffentests in hohen Atmosphären-Schichten (400 km) rufen solche Phänomene hervor, wie beispielsweise der Starfish-Prime-Test der USA am 9. Juli 1962.
Polarlichter treten hauptsächlich in den Polarregionen auf, denn die Sonnenwindteilchen, ein elektrisch geladenes Plasma mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von ca. 500 bis 833 km/s (bis zu 3.000.000 km/h) und einer Dichte von ca. 5 × 106 Teilchen pro m3 in Erdnähe, werden vom Magnetfeld der Erde zu den magnetischen Polen gelenkt. Die Teilchenbewegung erfolgt letztlich in Richtung der Feldlinien. Am magnetischen Pol verläuft das Magnetfeld senkrecht zur Erdoberfläche, und die Teilchen können in die Erdatmosphäre eintreten. Das Plasma benötigt bis zum Eintreffen bei einem Erde-Sonne-Abstand von rund 150 Millionen Kilometern zwei bis vier Tage.
Polarlichter kommen sowohl in nördlichen Breiten vor (Nordlichter, auch Aurora borealis) als auch auf der Südhalbkugel (Südlichter, auch Aurora australis). Auch auf anderen Planeten des Sonnensystems werden diese Erscheinungen beobachtet. Voraussetzung hierfür ist, dass der Planet ein eigenes Magnetfeld und eine Atmosphäre besitzt.
Häufigkeit
Die Häufigkeit der Polarlichterscheinungen in 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, zuletzt 2011/2012) finden starke Eruptionen auf der Sonne besonders häufig statt. Die dabei ausgeschleuderten 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 gesehen. Im Mittel können während der Phase des Solarmax im deutschsprachigen Raum etwa 10–20 dieser Leuchterscheinungen pro Jahr beobachtet werden, im Allgemeinen am Nordhimmel, 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 2–4 Tage von der Sonne bis zur Erde benötigt, kann also in diesem Zeitabstand nach einer starken 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 Erdbahn 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 steigt seit 2007 wieder an und hat 2012 ihren letzten Höhepunkt erreicht. Laut der amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA sollten es die stärksten Polarlichter seit 50 Jahren sein. Tatsächlich fällt der aktuelle Sonnenfleckenzyklus aber schwächer als seine Vorgänger aus, wodurch die Polarlichtaktivität eher verhalten ist.
Farben
Polarlichter können verschiedene Farben haben. Grünes Licht entsteht durch Sauerstoffatome, die in gut 100 km Höhe angeregt werden, rotes Licht von Sauerstoffatomen in etwa 200 km Höhe. Angeregte Stickstoffatome senden violettes bis blaues Licht aus. Zur Anregung von Stickstoffatomen sind jedoch sehr hohe Energien notwendig und so lassen sich diese Farben nur bei starken Sonnenwinden beobachten.
Da der Sonnenwind außerhalb der Polarregionen nur selten tief in die Atmosphäre eindringen kann, sind Polarlichter in der gemäßigten Zone, also auch in Europa, meistens rot.
Das menschliche Auge nimmt Farben in der Dunkelheit nur begrenzt wahr, die Farbwahrnehmung von Polarlichtern ist oft interindividuell unterschiedlich.
Formen
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 Valance-Jones Classification unterteilt:
Kürzel
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Englische Bezeichnung
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Deutsche Bezeichnung
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HA
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Homogeneous Arc
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Gleichmäßiger Bogen
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HB
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Homogeneous Band
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Gleichmäßiges Band
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RA
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Rays Arc
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Strahlenförmiger Bogen
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RB
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Rays Band
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Strahlenförmiges Band
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DS
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Diffuse Surface
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Diffuse Fläche
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PS
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Pulsating Surface
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Pulsierende Fläche
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PA
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Pulsating Arc
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Pulsierender Bogen
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C
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Corona
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Korona (ringförmige Strahlen)
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F
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Flaming
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Zenith-gerichtete, pulsierende Strahlen
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Historisches
Die frühesten Berichte über Polarlichter sind über 2000 Jahre alt. Verschiedene Kulturen im Norden Amerikas, Europas und Asiens sahen in ihnen Aktivitäten von Göttern und Geistern, sowohl in Form von Kämpfen oder Tänzen, aber auch als Mitteilungen an die Menschen. Besonders im Mittelalter galten in Europa Polarlichter, ähnlich wie Kometen, als Vorboten kommenden Unheils (z. B. Kriege, Seuchen, Hungersnöte). Die in den Breiten Mitteleuropas meistens (blut-)rote Farbe könnte zu dieser Ansicht beigetragen haben.
Die Wikinger 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 das Nordlicht entstand.
Für die Maori auf der Südhalbkugel galt das, in Neuseeland äußerst seltene, Südlicht als Feuer, dass die Ahnen auf ihrem Weg in Richtung Antarktis entzündet hatten um sich an die warmen Tage in Neuseeland zu erinnern.
Im 18. Jahrhundert wurden dann 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.
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 reflektierten Signale in den Sender- und Empfängergeräten den Funkverkehr stören, werden die Verbindungen oft in der Betriebsart Morsetelegrafie (CW, A1A) aufgebaut.
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.
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