Das Licht der stillen Stürme

Von ULF VON RAUCHHAUPT
Foto: Esa/Sherwin Calaluan

22. Februar 2020 · Polarlichter entschädigen die Bewohner hoher Breiten für die langen Winter dort. Weiter südlich sind sie eher selten und haben ihren früheren Schrecken verloren. Nicht ganz zu recht.

Im Finnischen hat die Erscheinung auch keinen originelleren Namen. „Revontuli“ bedeutet wörtlich „Nordfeuer“, und „Revontulibongarin opas“ ist ein „Führer für Nordlicht-Beobachter“. Einen solchen hatte Minna Palmroth, Professorin für Weltraumphysik an der Universität Helsinki, Anfang 2018 herausgebracht, damit ihre Landsleute darin nachschlagen können, was hinter den verschiedenen leuchtenden Formen steckt, die sie während der dunklen finnischen Wintern oft zu sehen bekommen: diffus glühende Wolken, leuchtende Bögen, scheinbar von einem Punkt ausgehende Strahlen und schließlich lange senkrecht gestreifte Wände, die abrupt enden und aussehen wie Säume faltig fallender Gardinen.

Doch kaum war Palmroths Nordlichtführer erschienen, meldeten sich Leser und beschwerten sich. In dem Buch fehle eine Nordlichtform, die sie beobachtet hatten: Periodisch angeordnete horizontale Finger, die oberhalb der Gardinensäume in Richtung Süden ragten. Was, bitte schön, habe es damit auf sich? Weder Palmroth noch ihre beiden Koautoren wussten es. Diese inzwischen „Dünen“ („the dunes“) genannte Nordlichtform war bis dahin nicht wissenschaftlich dokumentiert. Im Oktober 2018 organisierte die Professorin zusammen mit einigen Amateuren eine Beobachtungskampagne, um synchrone Aufnahmen von verschiedenen Orten Finnlands zu erhalten. Die Veröffentlichung der nun offiziellen Erstbeschreibung der neuen Nordlichtform erschien vorvergangene Woche im Fachjournal AGU Advances.

Die unlängst zum ersten Mal wissenschaftlich beschriebene Polarlichtform „Dünen“, hier nahe Ruovesiin Mittelfinnland am 7.10.2018
Die unlängst zum ersten Mal wissenschaftlich beschriebene Polarlichtform „Dünen“, hier nahe Ruovesiin Mittelfinnland am 7.10.2018 Foto: AGU/Pirjo Kosti
Die unlängst zum ersten Mal wissenschaftlich beschriebene Polarlichtform „Dünen“, hier nahe Ruovesiin Mittelfinnland am 7.10.2018 Foto: AGU/Pirjo Kosti

Das Phänomen ist also selbst heute noch für Überraschungen gut, da man es schon längst auch aus dem Weltall bestaunen kann. Dabei sind solche Lichtspiele für Bewohner der Hocharktis, sofern Wetter und Jahreszeit es zulassen, eine fast alltägliche Erscheinung. In der Regel dominiert die Farbe Grün, darüber zuweilen Rot und unten an den Gardinensäumen manchmal auch Violett oder blau. In den weiter südlich gelegenen Regionen der ersten Schriftkulturen sind Nordlichter deutlich seltener, weswegen die ersten sicheren historischen Berichte darüber aus der Zeit um 700 v. Chr. aus China überliefert sind. Und erst seit 1773, als James Cook auf seiner zweiten Reise bis in antarktische Gewässer vordrang, ist uns bekannt, dass es solche Erscheinungen auch im tiefen Süden gibt. Zur Aurora borealis, der nördlichen Aurora, wie Naturforscher sie seit Galilei nennen, gesellt sich seither die Aurora australis, und wenn man über das Phänomen ohne Bezug auf einen bestimmten Beobachtungsort redet, nennt man es einfach nur Aurora oder „Polarlicht“ – auch wenn es an den Polen selbst vergleichsweise selten und weniger spektakulär ausfällt. Die besten Aurorae sieht man auf einem Oval zwischen 60 und 80 Grad nördlicher oder südlicher Breite.


„Kohorten eilten zusammen, um der Stadt Ostia zu helfen, die in Flammen zu stehen schien, als eine halbe Nacht lang der Himmel dumpf glühte wie von dick qualmendem Feuer.“
SENECA, aus „Naturales quaestiones“

Die Maori auf Neuseeland kannten das Tahunui-a-rangi („großes Brennen am Himmel“) allerdings schon vor Cook, ebenso die Ureinwohner Australiens. Diese bringen die Polarlichter traditionell mit Unheil, Feuer und Blut in Verbindung – eine Assoziation, die auch Berichte aus Europa von der Antike bis in die Neuzeit dominiert. Selbst der nüchterne Aristoteles schreibt in seiner „Meteorologie“ von „blutigen Klüften“ und dass es offensichtlich sei, dass dort die „obere Luft brenne“. Und Seneca berichtet bei der Diskussion diverser himmlischer Leuchterscheinungen in seinen um 65 n. Chr. entstandenen „Naturales quaestiones“ (Fragen zur Natur), wie dreißig Jahre zuvor unter dem Kaiser Tiberius Nordlicht einmal einen denkwürdigen Fehlalarm auslöste: „Kohorten eilten zusammen, um der Stadt Ostia zu helfen, die in Flammen zu stehen schien, als eine halbe Nacht lang der Himmel dumpf glühte wie von dick qualmendem Feuer.“

Eine prächtige Aurora australis über der deutschen Forschungsstation Neumayer III auf dem Ekström-Schelfeis in der Ostantarktis
Eine prächtige Aurora australis über der deutschen Forschungsstation Neumayer III auf dem Ekström-Schelfeis in der Ostantarktis Foto: AWI/Helene Hoffmann
Eine prächtige Aurora australis über der deutschen Forschungsstation Neumayer III auf dem Ekström-Schelfeis in der Ostantarktis Foto: AWI/Helene Hoffmann
Polarlicht an der Neumayer-Station III
Polarlicht an der Neumayer-Station III Foto: Sarah Huber
Polarlicht an der Neumayer-Station III Foto: Sarah Huber

Ostia liegt bei Rom. Auch sonst ist Polarlicht, wenn es einmal in tieferen Breiten erscheint, in der Regel Rot, nicht Grün. Das liegt an einer Facette seiner physikalischen Ursachen, die lange rätselhaft waren. Noch Benjamin Franklin (1706 bis 1790), der sich nicht nur als Politiker, sondern auch als Naturforscher hervortat, hielt Polarlichter für elektrische Entladungen zwischen Wolken. Tatsächlich kommt das Licht aber aus Regionen weit jenseits aller Wolken. Das fand als Erster der Brite Henry Cavendish heraus, der ihre Höhe auf 110 bis 130 Kilometer über der Erdoberfläche bestimmte. Moderne Messungen ergeben 80 bis 300 Kilometer. Dort bringen energiereiche geladene Teilchen die Erdatmosphäre zum Leuchten, vor allem atomaren Sauerstoff. Werden dessen Hüllenelektronen angeregt, senden sie 0,74 Sekunden später grünes Licht aus. Danach bleiben sie weitere 110 Sekunden angeregt, bevor sie unter Emission roten Lichtes in ihren Grundzustand fallen. Damit leuchtet Sauerstoff eigentlich sowohl grün als auch rot. Wenn die angeregten Atome allerdings vorher mit anderen Luftteilchen zusammenstoßen, geben sie ihre Energie an die Stoßpartner ab, statt zu leuchten. Unterhalb 250 Kilometern ist die Atmosphäre aber bereits so dicht, dass nur wenige angeregte Sauerstoffatome 110 Sekunden lang ungestört bleiben und ihr Rotlicht ausstrahlen können. Daher dominiert in den tieferen Atmosphärenschichten das grün, das Rot der Polarlichter über polfernen Regionen kommt daher aus sehr großen Höhen. Wo die Teilchen tief in die Atmosphäre eindringen, glüht es grün, und wenn sie energiereich genug sind, um molekularen Stickstoff zum Leuchten anzuregen, auch violett, blau oder in einem etwas tieferen Rot. Doch all das passiert überwiegend in den Aurora-Ovalen der Polargebiete.

Polarlichter bei Rovaniemi in Lappland, Finnland
Polarlichter bei Rovaniemi in Lappland, Finnland Foto: Reuters
Polarlichter bei Rovaniemi in Lappland, Finnland Foto: Reuters

Aber warum ausgerechnet dort? Woher kommen diese Teilchen überhaupt, und welche Prozesse verleihen ihnen ihre hohe Energie?

Bereits in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts stellten der schwedische Astronom Anders Celsius und sein Assistent Olof Hiorter fest, dass es einen Zusammenhang zwischen Polarlichttätigkeit und Störungen im Erdmagnetfeld gibt. „Magnetische Ungewitter“ nannte Alexander von Humboldt sie später. Der berühmte Naturforscher starb am 6. Mai 1859 und verpasste damit um wenige Monate das bis heute heftigste jemals beobachtete Magnetunwetter Anfang September 1859. Es war begleitet von unvorstellbar starken Polarlichtern. Auf der Nordhalbkugel glühte der Himmel bis tief in die Karibik hinein, auf der Südhalbkugel bis hinauf nach Queensland im Norden Australiens. In den Rocky Mountains, so wurde berichtet, waren die Aurorae hell genug, um in ihrem Licht Zeitung zu lesen. Eine Überraschung erlebte auch das Personal der jungen Telegraphie. Die heftigen Magnetfeldänderungen induzierten starke Spannungen in die Leitungen. Diensthabende Telegraphen bekamen Stromschläge, ihre Papierstreifen fingen Feuer – oder sie konnten stundenlang Nachrichten durch Leitungen versenden, an die gar keine Stromquellen angeschlossen waren. Das Ereignis ist heute als „Carrington-Event“ bekannt, nach dem britischen Astronomen Richard Carrington, der 17,6 Stunden vor dem großen Magnetsturm zum ersten Mal einen Strahlungsausbruch auf der Sonne beobachtet hatte. Heute ist gesichert, dass es auf unserem Stern damals zu einem sogenannten koronalen Massenauswurf kam, der Stunden später die Erde traf.

Polarlichter über dem zentralen Arktischen Ozean, fotografiert von Bord des deutschen Forschungseisbrechers Polarstern.
Polarlichter über dem zentralen Arktischen Ozean, fotografiert von Bord des deutschen Forschungseisbrechers Polarstern. Foto: Stefan Hendricks
Polarlichter über dem zentralen Arktischen Ozean, fotografiert von Bord des deutschen Forschungseisbrechers Polarstern. Foto: Stefan Hendricks

Solche Auswürfe sind keineswegs selten. Im Jahr 2012 kam es zu einer Eruption, die mindestens so heftig war wie die des Carrington-Events, allerdings verfehlte sie die Erde. Ein kleinerer Treffer dieser Art ließ 1989 in der kanadischen Provinz Quebec das Stromnetz zusammenbrechen. Eine neue, präzisere Abschätzung, wie oft damit zu rechnen ist, haben Forscher um Sandra Chapman von der University of Warwick in England gerade erst in den Geophysical Research Letters veröffentlicht. Aus Sonnenaktivitätsdaten der vergangenen 150 Jahre leiten sie ab, dass ein Magnetsturm wie jener, der den Blackout in Quebec verursachte, mit einer Wahrscheinlichkeit von vier Prozent pro Jahr eintritt, ein Carrington-Ereignis mit 0,7 Prozent. Das ist nicht oft, aber oft genug, um angesichts der wachsenden Abhängigkeit der modernen Zivilisation von immer komplexerer elektronischer Infrastruktur die Erforschung der Magnetstürme und damit auch der Polarlichter nicht ausschließlich aus Grundlageninteresse zu betreiben.

Polarlichter über der kanadischen Arktis, von der Raumstation ISS aus gesehen. Rechts unten der 85 Kilometer weite Manicouagan Crater
Polarlichter über der kanadischen Arktis, von der Raumstation ISS aus gesehen. Rechts unten der 85 Kilometer weite Manicouagan Crater Foto: Nasa
Polarlichter über der kanadischen Arktis, von der Raumstation ISS aus gesehen. Rechts unten der 85 Kilometer weite Manicouagan Crater Foto: Nasa

Doch die Physik dahinter ist so komplex, dass bis heute nicht alle Details darüber geklärt sind, wie die Polarlichter in ihren verschiedenen Formen genau zustande kommen. Sicher ist, dass die energiereichen Teilchen, die sie anregen, keineswegs direkt von der Sonne kommen. Zwar strömt von dort ein stetiger Strom geladener Partikel, der sogenannte Sonnenwind, doch das Magnetfeld der Erde lenkt die allermeisten davon um den Planeten herum, wobei es sich allerdings auf der sonnenabgewandten Seite in die Länge zieht (Bild 1 in der gezeigten Grafik). Ein gelegentlicher Massenauswurf erreicht die Erde als eine Art zusätzlicher Teilchenschwall. Doch auch diese Teilchen erzeugen nicht selbst schon die Polarlichter. Vielmehr ist die Bewegung der darin eingebetteten solaren Magnetfelder dafür verantwortlich. Diese vereinigen sich mit Magnetfeldlinien der Erde (Bild 2) und biegen sich dann um die irdische Magnetosphäre herum, wodurch deren sonnenabgewandter Schweif zusammengestaucht wird (Bild 3). Werden parallele Magnetfeldlinien gegensätzlicher Orientierung aufeinandergedrückt, kann es in Gegenwart eines Gases aus positiv und negativ geladenen Teilchen, eines sogenannten Plasmas, zu etwas kommen, was bei den Magnetfeldern, von denen man im Physikunterricht hört, normalerweise nicht möglich ist: Sie brechen und verbinden sich neu.

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Ein magnetischer Teilsturm entsteht, stark vereinfacht, durch Interaktion heranströmender Magnetfelder von der Sonne (gelb) mit der Magnetosphäre der Erde (blau).

Der Vorgang heißt Rekonnexion, also Wiederverknüpfung, und die extrem geknickten Feldlinien, die er zunächst hinterlässt (Bild 4), können so nicht bleiben. Die Spannung, unter der sie stehen, löst sich im nächsten Moment, indem die neu geschlossenen Feldlinienschlaufen, so rasch es irgend geht, die extreme Krümmung ihrer Knickstellen vermindern, dabei zurückschnellen und die Plasmateilchen mitreißen, die aufgrund ihrer elektrischen Ladung an die Magnetfelder gebunden sind. Pro Kubikzentimeter sind das zwar nur sehr wenige Teilchen – die irdische Magnetosphäre ist geophysikalisch gesehen Weltall und leerer als jedes Vakuum, das sich in einem irdischen Labor erzeugen lässt –, aber in den enormen räumlichen Abmessungen dort draußen kommen doch erkleckliche Mengen an Plasma zusammen, das nun zur Quelle der Teilchen wird, die später in der Erdatmosphäre die Polarlichter aufleuchten lassen (Bild 5).

Doch dazu reicht ihre Energie noch nicht ganz. Vielmehr kommt es nun zu einer komplexen Wechselwirkung des Plasmas mit dem dipolförmigen Magnetfeld in der Nähe der Erde sowie der irdischen Ionosphäre und als Folge davon zu starken elektrischen Strömen entlang der Feldlinien. Unter anderem dadurch, dass diese Linien zur Erde hin konvergieren, kommt es zu einem Anstieg der Stromstärken in Erdnähe und schließlich einem Zusammenbruch des ungehinderten Stromflusses. „Es ist, als ob eine Sicherung durchbrennt“, sagt Gerhard Haerendel, emeritierter Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, der solche Prozesse theoretisch erforscht hat. Die Leitung bekommt damit gewissermaßen einen Widerstand, an dem Spannung abfällt, die elektrische Felder entstehen lässt, in denen nun insbesondere die Elektronen so weit beschleunigt werden, dass sie beim Auftreffen auf die neutrale Erdatmosphäre Polarlichter hervorrufen.


„Es ist, als ob eine Sicherung durchbrennt“
GERHARD HEARENDEL, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching

So erklärt sich einmal, warum Polarlichter auch außerhalb schwerer, durch koronale Massenauswürfe hervorgerufene magnetische Unwetter nicht gleichmäßig leuchten, sondern kommen und gehen. Das Flattern des Magnetosphärenschweifs im Sonnenwind führt zu unregelmäßig pulsierenden Rekonnexionsmomenten und damit ereignishaft auffrischenden sogenannten magnetischen Teilstürmen, in der englischsprachigen Fachliteratur „Substorms“ genannt. Dass diese sich bevorzugt in einem Oval um die magnetischen Pole der Erde austoben, verdankt sich letztlich der Dipol-Geometrie des irdischen Magnetfeldes, während sich hinter der Dynamik und Formenvielfalt der Polarlichter komplexe plasmaphysikalische Prozesse verbergen.

Stecken die auch hinter den nun dank der finnischen Polarlicht-Spotter neu entdeckten „Dünen“? Minna Palmroth und ihre Mitautoren halten es für wahrscheinlicher, dass hier die magnetisch beschleunigten Teilchen aus dem All ein genuin atmosphärisches Phänomen zum Vorschein bringen: sogenannte „mesospheric bores“, Dichtewellen in der Hochatmosphäre, die bisher noch nie in Polarlichtzonen beobachtet wurden. Doch der Grund dafür, schreiben Palmroth und Kollegen, könnte einfach der sein, dass Polarlichter die bisher dafür verwendeten Beobachtungsmethoden der Atmosphärenforscher stören. Doch die haben ja nun ein neues Instrument: die Digitalkameras der „Revontulibongarien“.


Jupiters Krone

Auch auf anderen Planeten glüht die Luft. Nicht immer sind das jedoch Polarlichter.

Polarlichter des Jupiters
Polarlichter des Jupiters Foto: Nasa/Esa/HST

Aurorae und Polarlichter sind synonyme Bezeichnungen, wenn es um die Erde geht. Es gibt aber noch andere Planeten, denen die atmosphärische Wechselwirkung mit geladenen Teilchen leuchtende Krönchen auf die Pole setzt. Prächtige Polarlichtovale zeigen insbesondere die beiden Gasriesen Jupiter und Saturn. Die nebenstehenden Aufnahmen wurden allerdings nicht im sichtbaren Licht gemacht – dort wären sie lange nicht so eindrucksvoll –, sondern im ultravioletten, und dann mit herkömmlichen optischen Aufnahmen der Planeten kombiniert.

Jupiters Polarlichter sind die hellsten im ganzen Sonnensystem. Anders als die der Erde leuchten sie permanent, wenn auch in schwankender Helligkeit, mit einer Strahlungsleistung von bis zu hundert Terawatt, tausendmal so viel, wie irdische Aurorae während eines zünftigen magnetischen Sturms abstrahlen. Die Sonne braucht Jupiter, und in geringerem Ausmaß auch Saturn, dazu weniger. Jupiter hat viel stärkere Magnetfelder als die Erde und zudem vier große und nahe Monde, die für einen Nachschub an geladenen Teilchen sorgen, insbesondere der Mond Io, auf dem aktive Vulkane mit Material um sich werfen. Auch die anderen großen Jupitermonde besitzen dünne Ionosphären, die über Magnetfeldlinien mit dem Jupiter gekoppelt sind, so dass jeder Mond je einen eigenen leuchtenden Fleck auf jedem Jupiterpol verursacht – der entfernste, Kallisto, allerdings offenbar nur zeitweise.

Der einzige solare Planet ohne Aurorae ist Merkur. Ihm fehlt schlicht eine Atmosphäre, die sich zum Leuchten anregen ließe. Auf allen anderen Planeten ist das Phänomen nachgewiesen, wobei die Datenlage beim Neptun am dünnsten ist. Die Hinweise stammen von einem einzigen Vorbeiflug einer Sonde im August 1989 an dem äußersten Planeten. Schon auf dem zweitäußersten aber, dem Uranus, konnte das Weltraumteleskop Hubble Polarlichter beobachten.

Polarlichter des Saturns. Die Polarlichter des Saturns und des Jupiters ähneln auf den ersten Blick denen der Erde. Ihre Entstehung ist aber noch komplizierter.
Polarlichter des Saturns. Die Polarlichter des Saturns und des Jupiters ähneln auf den ersten Blick denen der Erde. Ihre Entstehung ist aber noch komplizierter. Foto: Esa
Polarlichter des Saturns. Die Polarlichter des Saturns und des Jupiters ähneln auf den ersten Blick denen der Erde. Ihre Entstehung ist aber noch komplizierter. Foto: Esa

Auch Venus und Mars zeigen Aurorae, nur handelt es sich bei ihnen eben nicht um Polarlichter, einfach weil diese Planeten keine Pole haben, soll heißen keine magnetischen Pole. Beide Planeten erzeugen kein eigenes Magnetfeld. Auf dem Mars gibt es zwar eine schwache Restmagnetisierung der Kruste, aber die bildet kein planetares Dipolfeld. Ein Aufleuchten der dünnen Marsatmosphäre während eines solaren Weltraumsturms konnte die amerikanische Marssonde „Maven“ im September 2017 dennoch beobachten. Die Aurora war ultraviolett und am stärksten am Planetenrand zu sehen, wo die Sichtlinie über besonders lange Strecken durch die leuchtende Atmosphärenschicht führt.

Nun gibt es nicht nur das Sonnensystem. Mehrere tausend Planeten um andere Sterne sind heute bekannt. Die meisten wurden indirekt über die Auswirkungen ihrer Existenz auf das Lichtsignal ihres Sterns nachgewiesen. Man hat von ihnen kein einziges Photon, umso hoffnungsloser erscheint es, ihre Polarlichter nachweisen zu wollen. Allerdings senden irdische Aurorae auch deutliche Radiosignale aus – und die lassen sich eines Tage vielleicht auch bei bestimmten extrasolaren Planeten nachweisen.

Das Einzige extrasolare Polarlicht, das bisher aufgefangen wurde, stammt daher nicht von einem Planeten, sondern einem sogenannten Braunen Zwerg, einem Gasball, viele Dutzend Mal massereicher als Jupiter, aber zu klein, um zu einem Stern zu werden. LSR J1835+3259, so der Name des 18,5 Lichtjahre entfernten Objekts, hat keine eigene Sonne, um die es sich dreht – nur deshalb ist das Licht seiner Aurorae überhaupt nachzuweisen. Wie er so ganz für sich allein Polarlichter produziert, noch dazu welche, die eine Million Mal intensiver leuchten als die der Erde, ist aber noch nicht geklärt. Möglicherweise dreht sich in seinem Magnetfeld, das 200 Mal stärker ist als das des Jupiters, ein kleiner Planet, auf dem Vulkane rauchen.

22.02.2020
Quelle: F.A.S.