Polarlichter sind eine auf Phosphoreszenz basierende Lichterscheinung der hohen Atmosphäre. Auslöser sind zum einen ursprünglich mit dem Sonnenwind transportierte Elektronen, welche aus dem nachtseitigen Magnetosphärenschweif Richtung Erdatmosphäre beschleunigt werden, und zum anderen Sonnenwindpartikel (Protonen, Elektronen), welche an den tagseitigen Übergangszonen (polar cusps) in die Magnetosphäre eindringen.
(An diesen Übergangszonen trennen sich tagseitig geschlossene Feldlinien des Erdmagnetfeldes von denen, die zwar an der Tagseite „entspringen“, aber durch die Schubspannungswirkung des Sonnenwindes auf die Nachtseite „verschleppt“ werden). Sobald die Sonnenwindteilchen auf atmosphärische Partikel treffen, kommt es zu verschiedenen Prozessen, von denen der Prozess der „Anregung“ für das Polarlicht der bedeutendste ist. Bei diesem Vorgang wird durch den Zusammenprall eines freien Elektrons mit einem Atmosphärenteilchen dieses auf ein höheres Energieniveau gehoben (Stoßanregung). Der nach einer gewissen Zeit wieder erfolgende Rückfall auf einen energetisch tieferen Zustand wird, wenn nicht von einer äußeren Störung ausgelöst (erneuter Stoß), von der Emission eines Photons begleitet. Die Frequenz dieser Lichtemission (und somit die Farbe) wird dabei von drei Faktoren bestimmt: Art des beteiligten Luftbestandteils (Sauerstoff, Stickstoff), dessen elektrische Ladung (neutral, ionisiert) sowie die Stoßenergie des Sonnenwindpartikels. Letztere wird im nachtseitigen Magnetosphärenschweif durch bestimmte Vorgänge (Energieübertragung durch elektromagnetische Induktion, Beschleunigung durch magnetische Rekonnexion) auf Werte bis zu etwa 200 keV erhöht, ehe sie durch Stoßkaskaden vor der letztendlich finalen, polarlichtauslösenden Kollision wieder auf typischerweise etwa 3 keV abgebaut wird.
Polarlichterscheinung über Österreich (Hochrotherd, 20.11.2003). Polarlichter über mittleren Breiten erscheinen meist nur diffus. Gut zu erkennen ist, dass die rote Farbe des atomaren Sauerstoffs in größerer Höhe auftritt als die gelbgrüne Farbe desselben Elements. Quelle: Andreas Pfoser.
Die am häufigsten auftretenden Polarlichtfarben sind gelbgrün (557,7 nm) und rot (630,0 nm). Sie werden vom neutralen atomaren Sauerstoff beim Rückfall vom zweiten in den ersten angeregten Zustand (gelbgrün) bzw. beim Rückfall vom ersten angeregten Zustand in den Grundzustand (rot) erzeugt. Letztgenannter Prozess ist nur bei einer extrem dünnen Atmosphäre effizient möglich, wodurch das rote Polarlicht normalerweise erst in sehr großer Höhe von 200-320 km leuchtet und vom niedriger liegenden gelbgrünen Polarlicht, welches sich in 120-140 km Höhe am intensivsten entfaltet, häufig überstrahlt wird. Weitere Farben sind das violette (391,4 nm) und blaue (427,8 nm) Leuchten ionisierten molekularen Stickstoffs sowie magenta oder orange Farbtöne, welche bei höherer Intensität fallweise am Unterrand einer Polarlichtstruktur auftreten. Die beiden letztgenannten Farben sind auf additive Farbmischungen von neutralen Stickstoffmolekülen mit Stickstoff- bzw. Sauerstoffmolekülionen in etwa 70-90 km Höhe zurückzuführen. Polarlichter erscheinen in vielfältigen Formen, zeigen teils sehr rasche Bewegungen und Formänderungen, ehe sie dann auch wieder ruhig am Himmel verharren. Für Formen und Bewegungen sind unterschiedliche Klassifikationsschemata in Verwendung. Häufig wird dabei zwischen bandförmigen, strahlenförmigen und diffusen Formen unterschieden, wobei die bandförmigen Erscheinungen weiter in Bögen (ruhig) und Bänder (aktiv; Schleifen, Spiralen, Wellen) unterteilt werden können, während sich die strahlenförmige Aurora in Vorhänge (Draperien), Schleier (ausgedehnte Lichtflächen), Strahlen (vertikale Lichtstreifen) und Korona (kranzförmig aus dem Zenit) gliedern lässt. Das Polarlicht ist in der überwiegenden Zeit keine allzu helle Erscheinung und die Farben werden daher, bedingt durch die angeborene Farbsehschwäche des menschlichen Auges in Dunkelheit, oft nur fahl wahrgenommen, teils wirkt das Polarlicht sogar farblos. Tatsächlich liegt die Gesamtstrahlungsleistung eines durchschnittlichen Polarlichts, an welchem typischerweise 2 Mia. p/cm²s beteiligt sind, nur bei 0,01 W/m².
Die magnetische Feldlinienkonfiguration an der Nachtseite der Magnetosphäre sorgt dafür, dass eindringende Elektronen nur in bestimmten Regionen der Erde die Atmosphäre erreichen. Im Normalfall handelt es sich dabei um zwei ovalförmige Ringe (Polarlichtovale) in einem Abstand von 1500 bis 3000 km zu den geomagnetischen Polen der beiden Erdhemisphären. In diesen Regionen sind die Polarlichter permanent vorhanden und können bei klarem (durchsichtigem) Himmel und Dunkelheit auch grundsätzlich gesehen werden. Kommt es aber zu einem Geomagnetischen Sturm, so führt der erhöhte Elektroneneinfall und Energieeintrag in die Magnetosphäre zu einer intensivierten Teilchenbewegung im System Magnetosphäre-Ionosphäre, wodurch sich die Polarlichtovale vorübergehend verbreitern und äquatorwärts verlagern. Auf diese Weise können Polarlichter auch bis nach Österreich vordringen. Diese unterscheiden sich dann aber im Normalfall von den Erscheinungen hoher Breiten, indem sie meist nur diffus leuchten und lediglich in Ansätzen auch diskrete Strukturen zeigen. Grund dafür ist, dass die kollidierenden freien Elektronen hier nicht mehr vorrangig aus dem Magnetosphärenschweif über die Plasmaschicht in die Atmosphäre geleitet werden, sondern mit dem während Geomagnetischer Stürme näher rückenden Ringstrom aus der dichteren Plasmasphäre in die hohe Atmosphäre gestreut werden. Da die dabei auftretenden Energiemengen meist geringer ausfallen als bei der Aurora höherer Breiten, ist das Polarlicht über Österreich meist nur hochliegend und im Gegensatz zur polnäheren Erscheinung überwiegend rötlich gefärbt. Nordlichter treten in Österreich nicht so selten auf, wie vielleicht vermutet wird. Aus Untersuchungen über längere Zeiträume kann geschlossen werden, dass pro Jahr durchschnittlich 3-4 Polarlichterscheinungen bei uns möglich sind, von denen 1 auch eine auffällige Helligkeit entfaltet. Diese Erscheinungen sind aber über die Jahre nicht gleich verteilt sondern folgen in gewissem Maße dem Verlauf der Sonnenaktivität. So gab es im unmittelbar zurückliegenden ausgesprochen schwachen Sonnenfleckenzyklus 24 in einem Zeitraum von 11 Jahren insgesamt nur 6 Nächte mit Nordlichtern in Österreich, von denen zudem keine einzige Erscheinung visuell auffällig gewesen ist.
Weiterführende Links
- SpaceWeather.com Gallerie mit aktuellen Bilder von Polarlichtern
- Aktuelle Polarlichtwahrscheinlichtkeit für Österreich
- Webcams mit aktuellen Aufnahmen (oft nur im Winter im Betrieb):