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Polarlichter : Der leuchtende Puls des Himmels

Atemberaubendes Farbenspiel in Island. Das grüne Licht bei einer Wellenlänge von 558 Nanometern wird durch angeregte Sauerstoffatome hervorgerufen. Bild: Alex Tudorica

Polarlichter bezaubern nicht allein durch ihre Schönheit. Auch ihre Physik ist faszinierend. Wissenschaftler haben nun zum ersten Mal verfolgt, wie blinkende Polarlichter entstehen.

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          Sie gehören zu den beeindruckendsten irdischen Himmelsphänomenen: Polarlichter, die den Himmel grün, rot oder violett leuchten lassen. Was unsere Vorfahren lange als göttliche Zeichen oder Botschaften der Verstorbenen interpretierten, ist heute als physikalisches Phänomen gut verstanden: Geladene Teilchen des Sonnenwinds, wie Elektronen und Protonen, werden aus der Erdmagnetosphäre, dem Bereich um unsere Erde, der vom irdischen Magnetfeld dominiert wird, in die Atmosphäre hinein beschleunigt. Dort verursachen sie die Anregung oder Ionisation von Stickstoff- und Sauerstoffatomen, die daraufhin im optischen Wellenlängenbereich Strahlung emittieren.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Polarlichter können dabei in unterschiedlichen Ausprägungen beobachtet werden. Neben verschiedenen Formen, wie Vorhängen, Fahnen und Bändern, kann man insbesondere ruhige von pulsierenden Erscheinungen unterscheiden. Letztere blinken quasiperiodisch auf Skalen von einigen Sekunden und können als große Flecken in rund 100 Kilometer Höhe Durchmesser von einigen Dutzend Kilometern erreichen.

          Naturphänomen : Polarlichter strahlen über Finnland

          Erklärt werden diese pulsierenden Nordlichter seit einigen Jahrzehnten anhand der unregelmäßigen Beschleunigung magnetosphärischer Elektronen durch die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Choruswellen. Diese vom Menschen hörbaren Wellen besitzen eine Frequenz, die ihre Verstärkung durch das Plasma geladener Teilchen in der Magnetosphäre ermöglicht. Erzeugt werden sie nahe der geomagnetischen Äquatorialebene, einige zehntausend Kilometer von der Erde entfernt, wo sie daraufhin energiereiche Elektronen periodisch entlang der Magnetfeldlinien in die Erdatmosphäre hinein beschleunigen können. Dieses theoretische Modell kann die blinkenden Polarlichter wunderbar erklären – direkt beobachtet wurde die Streuung der Elektronen durch die Choruswellen bislang aber noch nicht.

          Nordlichter über dem Südteil Islands
          Nordlichter über dem Südteil Islands : Bild: dpa

          Nun ist es Wissenschaftlern um Satoshi Kasahara von der Universität Tokio gelungen, alle am Phänomen der pulsierenden Polarlichter beteiligten Akteure nachzuweisen: Choruswellen und beschleunigte Elektronen in der zehntausend Kilometer von unserem Heimatplaneten entfernten Magnetosphäre und die daraus resultierenden Leuchterscheinungen auf der Erde. Dafür nutzten sie Instrumente an Bord des japanischen Arase Satelliten, der einerseits Elektronen in einem engen Fenster um eine Magnetfeldlinie herum nachweisen und gleichzeitig die dort vorhandenen Choruswellen aufzeichnen kann. Theoretische Modelle des Erdmagnetfelds wurden daraufhin genutzt, um die ungefähre Position zu ermitteln, an der die in weiter Entfernung zur Erde am geomagnetischen Äquator untersuchte Magnetfeldlinie die Erdatmosphäre erreicht. Dort hielten die Forscher nach pulsierenden Polarlichtern Ausschau, deren Variabilität den gemessenen Fluktuationen der magnetosphärischen Elektronen entsprach. Für den letzten Schritt nutzten die Wissenschaftler Aufzeichnungen des Themis-Programms, das Nordlichter von Kanada bis Alaska überwacht.

          Auch in Großbritannien können manchmal Nordlichter bewundert werden. Rotes Licht stammt hauptsächlich aus höheren, dünneren Atmosphärenschichten.
          Auch in Großbritannien können manchmal Nordlichter bewundert werden. Rotes Licht stammt hauptsächlich aus höheren, dünneren Atmosphärenschichten. : Bild: dpa

          Wie die Forscher nun in der Zeitschrift „Nature“ berichten, gelang im März 2017 die Beobachtung eines pulsierenden Polarlichts in Übereinstimmung mit den entsprechenden Satellitenbeobachtungen. Wie Allison Jaynes von der Universität Iowa in einem Begleitkommentar hervorhebt, liegt die Bedeutung dieses Experimentes nicht nur darin, dass es ein besseres Verständnis der Entstehung pulsierender Polarlichter ermöglicht. Gleichzeitig kann durch die Korrelation der Leuchterscheinungen mit den Messungen in der Magnetosphäre präzise der Ort bestimmt werden, an dem die vermessene Magnetfeldlinie die Erdatmosphäre erreicht. Damit können gleichzeitig Modelle des irdischen Magnetfeldes getestet und verbessert werden.

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