Regelmäßig fragen wir hier die, die uns im Hörsaal die Welt erklären: unsere Professor*innen und Doktorand*innen. Können sie uns wohl auch alltägliche Fragen beantworten? Sag mal Doc, wie entstehen Polarlichter? Dieses mal antwortet Dr. Dominik Elsässer, Privatdozent am Lehrstuhl für Experimentelle Physik/Astroteilchenphysik an der TU Dortmund.
Wahrscheinlich hat jede*r schon mal Bilder von Polarlichtern gesehen: Grüne, rote oder blau-violette Bänder ziehen am Himmel ihre Bahnen und erleuchten die dunkle Nacht. Üblicherweise tritt dieses Phänomen in Skandinavien auf, selten sind Polarlichter auch in Deutschland zu beobachten.
Verursacht werden Polarlichter durch die Sonne. Die sendet nämlich nicht nur Licht aus, sondern auch Sonnenwind. Der Sonnenwind besteht aus Elektronen und Protonen und bewegt sich mit circa 500 bis 600 Kilometern pro Stunde auf die Erde zu. Durch die hohe Geschwindigkeit besitzen die Teilchen viel Energie. Wenn die elektrisch geladenen Elektronen und Protonen des Sonnenwinds auf das Magnetfeld treffen, das die Erde umgibt, wird dieses zusammengestaucht. So kann der Sonnenwind in die Atmosphäre der Erde eindringen. Die Atome in der Erdatmosphäre werden von den Teilchen angeregt, sodass sie zu leuchten anfangen.
An den Polen der Erde ist das besonders einfach. Hier treten nämlich die Magnetfeldlinien in die Erdatmosphäre ein und führen die Elektronen und Protonen so in hohe Schichten der Lufthülle unserer Erde. So kommt der Sonnenwind einfacher und nah genug an die Teilchen der Atmosphäre heran, um das Lichtband zu erzeugen. Skandinavische Länder haben Glück, sie liegen nördlich genug, sodass dort das Naturschauspiel zu sehen ist.
Bei besonders starken Sonnenstürmen stößt die Sonne so viele Partikel aus, dass Polarlichter sogar weit entfernt von den Magnetpolen der Erde entstehen können. Zum Beispiel auch in Deutschland. Das passiert allerdings eher selten. Forscher*innen können vorhersagen, wie wahrscheinlich dieses Naturschauspiel ist, indem sie messen, wie stark der Sonnenwind ist. Auch den ungefähren Zeitpunkt, wann die Polarlichter am Himmel leuchten, können die Forscher*innen so angeben.
Ob die Polarlichter grün, rot oder blau-violett sind, hängt davon ab, welche Atome mit den Elektronen aus dem Sonnenwind reagieren. In der Hochatmosphäre der Erde befinden sich freie Sauerstoff- und Stickstoff-Atome. Grünes und rotes Licht entsteht, wenn der Wind der Sonne auf Sauerstoff trifft. Grüne Polarlichter sind am häufigsten zu sehen, weil sie für das menschliche Auge am besten wahrnehmbar sind.
Um blau-violette Polarlichter zu erzeugen, muss der Sonnenwind mit freien Stickstoff-Atomen reagieren. Diese sind allerdings eher selten. Deshalb muss der Sonnenwind besonders stark sein. Denn dann ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass die Elektronen und Protonen auf genügend Stickstoff-Atome treffen, damit die Reaktion und somit die blau-violetten Lichter am Himmel zu sehen sind.
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