physikBild #3: Polarlichter (Aurora borealis)

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Kommentar

Ron Garan hat aus seinem Bürofenster an der ISS geguckt und Nordlichter (Aurora borealis) beobachtet.

Ron Garan ist Astronaut und zog bis vor kurzem auf der ISS seinen Bahnen um die Erde. Und da oben konnte er bei einer Kaffeepause natürlich wunderbar vor einem Fenster schweben und in die Ferne gucken. Wenn er vor dem Richtigen schwebte, sah er dann natürlich diesen großen blauen Ball, a.k.a. Erde. Und genauso, wie ihr fasziniert aus dem Flugzeug auf die Ministädte am Boden guckt, weil von oben alles irgendwie anders aussieht, gucken auch die Astronauten von der ISS gerne von oben auf die Erde. Bestimmt.

Aurora borealis in einer Langzeitaufnahme, diesmal von der Erde aus.

Glücklicherweise hatte Ron gerade eine Kamera dabei, als auf der Erde fancy Naturerscheinungen zu sehen waren und es entstand das faszinierende Bild von oben. Die bunten Streifen, die in der Atmosphäre wabern, nennen sich Polarlichter bzw. im Fachbegriff »Aurora borealis« für ihr Auftreten im Norden. Für den Süden ändert sich das zu »Aurora australis«, sie sind aber das gleiche in grün. Und beide Varianten treten ganz ohne Zusätze von rosaroten Brillen, LSD oder Michael Bay auf, also rezeptfrei und fast ohne Nebenwirkungen für den Beobachter1. Klasse, oder?

Polarlichter, soso. Hä?

Die grünen streifigen Dinger entstehen als Reaktionen der Atmosphäre auf Beschuss aus dem All. Damit sind natürlich keine bewusst böswilligen Bösewichtaliens gemeint, sondern geladene kosmische Strahlung. Sowas wie Protonen, Elektronen, Helium-Kerne, … alles Krams, der unangenehm wäre, wenn wir ihn direkt abbgekommen würden2.
Aber zum Glück haben findige Wissenschaftler vor Milliarden von Jahren zwei Verteidigungslinien um die Erde gebaut: die Atmosphäre und das Magnetfeld. In ihrer Kombination sind sie ziemlich effektiv.

1. Verteidigungslinie: Magnetfeld

Das Erdmagnetfeld reicht weit ins All und schützt uns vor dem Sonnenwind.

Das Magnetfeld der Erde reicht ziemlich weit über die Atmosphäre hinaus, in dem Bild rechts bekommt man eine kleine Vorstellung davon. Natürlich ist das nicht maßstabsgetreu, aber hilft für den ersten Eindruck.
So Magnetfelder haben die praktische Eigenschaft, dass sie mit geladenen Teilchen interagieren: sie werden abgelenkt. Also die Teilchen, nicht die Magnetfelder. Ein Elektromotor funktioniert genau deswegen: Drahtschlaufen liegen in einem Magnetfeld. Schaltet man jetzt einen (Wechsel-)Strom ein, werden die Schlaufen abgestoßen und der Motor dreht sich wie ein Brummkreisel. Und auch unser Lieblingsbeschleuniger, der LHC, funktioniert durch die magnetische Ablenkung geladener Teilchen.

Weil der Effekt recht stark ist, reicht selbst das relative schwache Magnetfeld der Erde für den Großteil der Teilchen aus und sie werden entlang der Magnetfeldlinien um die Erde herum geführt. Schaut man sich das Bild rechts oben an, sieht man zwei kleine Kerben im sonst rundlichen Magnetfeld: die magnetischen Pole. An ihnen liegen die Magnetfeldlinien derart, dass Teilchen nicht um die Erde herum sondern zur Erde hin geleitet werden. Das betrifft zwar nur einen Bruchteil der gesamten Strahlung, aber immerhin noch einige.

2. Verteidigungslinie: Atmosphäre

CERN

Ein Teilchenschauer breitet sich in der Atmosphäre aus.

Bevor wir auf dem Erdboden von Teilchen durchlöchert werden müssen sie erst durch die Atmosphäre.
Die Atmosphäre kann man sich dabei wie einen römischen Markt mit ganz vielen Besuchern vorstellen: die geladenen Teilchen wollen schnell durch, ecken aber dauernd an. Dadurch werden sie langsamer und wenn es blöd läuft, entsteht eine Schlägerei und die Teilchen sind kaputt. Dann muss ein anderer, nennen wir ihn Sekundärbesucher, loslaufen um Hilfe zu holen. Der eckt dann auch wieder an und das Spiel geht von vorne los.
In der Realität stoßen die Teilchen aus dem All mit Teilchen in der Atmosphäre, werden langsamer, vernichten sich und produzieren andere Teilchen (Sekundärteilchen). Das passiert prinzipiell überall auf der Erde, insbesondere da sich hochenergetische Teilchen nicht so sehr am Magnetfeld stören, und ist relativ langweilig. An den Polen aber führt das Magnetwegeleitsystem von oben zu einer Häufung, so dass eine richtige Römerparty in der Atmosphäre abgeht. Die sorgt in den passenden Atmosphärenschichten3 dafür, dass Moleküle angeregt werden und anfangen zu leuchten wie das Studio 54 an einer Wochenendnacht.

Herkunft der geladenen Teilchen

Wenn man sein Polarlichtbeobachtungszelt im Norden aufgebaut hat, stellt man anhand seines Teekonsums relativ schnell fest, dass die Polarlichter eher im Winter auftauchen und auch über die Jahre hinweg gewisse Intensitätsschwankungen zeigen. Ersteres lässt den findigen Polarforscher einen Zusammenhang zwischen den Positionen von Erde und Sonne vermuten. Die (Sonne, nicht Erde) ist da also auch irgendwie mit drin. Bestätigt wird das durch die Schwankungen, die grob im 12-Jahres-Rythmus laufen und vergleichbar mit der Sonnenaktivität sind.
Sonnenaktivität meint, wieviel Material von der Sonne in die Umgebung geblobbert wird. Das passiert stetig ein bisschen oder immer mal wieder in großen Eruptionen. Eine eindrucksvolle Version davon sieht man in folgendem Video in Aktion:


DirektSolarFlare

Diese Sonneneruptionen schleudern Massen an heißen Protonen und Helium-Kernen, also geladenen Teilchen, von der Sonne weg. Ab dann nennt man sie Sonnenwind. Und wenn auf der Sonnenoberfläche gerade mal wieder viel los ist, kommt etwa zwei Tage später hier auf der Erde auch eine etwas stärkere Briese an, die zum bunten Polarhimmel führt.

physikBlog-Reisetipps zum Polarlichter-Beobachten

Polarlichter, die Milchstrasse und ein vorbeiziehender Komet – herrlich!

Wenn also der astronomische Wetterbericht bezüglich des Sonnenwinds Besonderes voraussagt, heißt es, die physikBlog-Reisetipps schon ausgedruckt am Kühlschrank hängen zu haben und schnell einen Flieger zu buchen.
Sehen kann man die Polarlichter nämlich besonders gut im hohen Norden, Richtung Polarkreis (also Skandinavien z.B.). Ein klarer Himmel, Nacht und die Abwesenheit von Sonnenbrillen4 sind ebenfalls hilfreich, wenn man das schwache Leuchten über einem erkennen will.
Und wenn man sich ein besonders schönes Plätzchen ausgesucht hat, die digitale Spiegelreflexkamera mit extremer Langzeitbelichtung parat hat und im richtigen Moment abdrückt, dann kommt vielleicht so etwas nettes heraus, wie ihr rechts seht.

Profitipp: Handwärmer nicht vergessen!

  1. Sicherheitshinweis: Flipflops sind nicht die geeignete Schuhwahl für Ausflüge in den hohen Norden. Auch nicht in den Süden, übrigens. []
  2. Siehe Fukushima z.B. []
  3. Grün entsteht durch Sauerstoffatome in ca. 100 km Höhe, rot durch Sauerstoffatome in 200 km und blau bis violett durch Stickstoffatome. []
  4. Sorry, Coolnessfaktor. []
Kurzlink
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Eine Antwort auf physikBild #3: Polarlichter (Aurora borealis)

  1. Jens sagt:
    #1

    Schöner Artikel!

    Wenn wer interessiert ist, sie selber mal zu sehen: Auch in Deutschland sind sie ab und zu sichtbar, zum Beispiel letzten Montag !

    Um aktuelle Vorhersagen abzurufen eignet sich http://www.spaceweather.com sehr gut.