Was sind Polarlichter?

Polarlichter sind beeindruckende Leuchterscheinungen in der oberen Erdatmosphäre. Auf der Nordhalbkugel werden sie als Aurora borealis (Nordlicht) bezeichnet, auf der Südhalbkugel als Aurora australis (Südlicht).

Sie entstehen, wenn angeregte Stickstoff- und Sauerstoffatome in der Hochatmosphäre Energie in Form von Licht abgeben. Besonders häufig treten Polarlichter in einem Gürtel rund um den magnetischen Pol auf - vor allem in Nordskandinavien, Schottland, Sibirien, Grönland, Kanada und Alaska.

Die Wahrscheinlichkeit einer Polarlichterscheinung lässt sich mit dem KP-Index $Skala 0-9$ bestimmen. Je höher der Wert, desto größer die Chance auf Polarlichter. Obwohl sie beeindruckend aussehen, stellen Polarlichter für Menschen keine Gefahr dar.

💡 Wusstest du? Südlichter erscheinen oft über unbewohnten Gebieten wie der Antarktis oder einsamen Südmeeren und werden daher viel seltener beobachtet als Nordlichter.

Die Geschichte der Polarlichter

Menschen haben Polarlichter seit jeher beobachtet und versucht, sie zu erklären. Viele Kulturen entwickelten dabei faszinierende Mythen und Legenden:

Die Eskimos glaubten, dass Polarlichter durch Geister entstehen, die mit einem Walrossschädel Ball spielen. Wikinger sahen in ihnen tanzende Walküren nach einer Schlacht. Im Mittelalter deutete man das rötliche Licht oft als Widerschein eines fernen Feuers.

Die wissenschaftliche Erforschung begann erst im 18. Jahrhundert. Edmond Halley erkannte als Erster den Zusammenhang zwischen Polarlicht und Magnetfeld. Diese Theorie wurde 1741 durch Experimente mit Magnetnadeln bestätigt. 1847 schloss Anders Jonas Angström, dass Polarlichter durch selbstleuchtendes Gas entstehen.

Später wurde durch den "Terrella"-Versuch (kleine Erde) nachgewiesen, dass Elektronen die Polarlichter verursachen. Der Wissenschaftler Carl Strömer berechnete schließlich die Bahnen dieser Teilchen.

Diese historische Entwicklung zeigt, wie wissenschaftliche Beobachtung und Experimente halfen, ein ursprünglich mystisches Phänomen zu verstehen.

Simulation von Polarlichtern im Labor

Um Polarlichter im Labor nachzustellen, kann man ein Fadenstrahlrohr verwenden. Dieses Gerät ermöglicht es, die spezifische Ladung von Elektronen zu bestimmen und ihre Bewegung im Magnetfeld zu beobachten.

Das Fadenstrahlrohr besteht aus zwei Hauptkomponenten:

• Einer Elektronenkanone, die Elektronen beschleunigt
• Einem mit Gas (meist Helium) gefüllten Glaskolben

Die Elektronenkanone enthält eine Heizspirale, eine Kathode und eine Anode. Durch Erhitzen der Spirale bildet sich eine Elektronenwolke. Eine Beschleunigungsspannung treibt die Elektronen dann zur positiv geladenen Anode. Einige Elektronen passieren die Anode durch eine kleine Öffnung und erzeugen einen Elektronenstrahl.

Bei diesem Experiment spielt die Lorentzkraft eine zentrale Rolle. Sie wirkt als Zentripetalkraft und zwingt die Elektronen auf eine Kreisbahn, wenn sie in ein Magnetfeld eintreten. Das Magnetfeld selbst wird durch sogenannte Helmholtz-Spulen erzeugt.

🧪 Physik-Tipp: Um die Richtung von Magnetfeld und Kraft leicht zu bestimmen, kannst du die Rechte-Faust-Regel und die Drei-Finger-Regel anwenden. Diese einfachen Merkhilfen sind äußerst nützlich bei Elektromagnetismus-Aufgaben!

Versuchsdurchführung und Physikalische Erklärung

Zur Durchführung des Experiments werden folgende Spannungen angelegt:

• Heizspannung (7,5 V): Erhitzt die Heizspirale und erzeugt eine Elektronenwolke
• Wehnelt-Spannung $-15 V$: Zur Fokussierung des Elektronenstrahls
• Beschleunigungsspannung (250 V): Beschleunigt die Elektronen

Nach Einschalten des Spulenstroms werden die Elektronen durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gezwungen. Da der Glaskolben mit Helium gefüllt ist, wird diese Kreisbahn sichtbar - das Helium leuchtet orange, wenn es von Elektronen angeregt wird.

Interessant ist: Je stärker das Magnetfeld (durch höheren Spulenstrom), desto kleiner wird der Radius der Kreisbahn. Dies liegt daran, dass die Lorentzkraft stärker wird und die Elektronen stärker ablenkt.

Mit diesem Versuch lässt sich auch die spezifische Ladung des Elektrons $\frac{e}{m}$ berechnen. Dazu setzt man die Lorentzkraft $F_L$ mit der Zentripetalkraft $F_z$ gleich und stellt nach $\frac{e}{m}$ um:

$\frac{e}{m} = \frac{2U}{r^2B^2}$

Hier ist $U$ die Beschleunigungsspannung, $r$ der Radius der Kreisbahn und $B$ die Magnetfeldstärke.

Die physikalische Entstehung der Polarlichter

Polarlichter entstehen durch die Wechselwirkung zwischen zwei Hauptkomponenten:

1. Sonnenwind: Ein kontinuierlicher Strom aus Elektronen, Protonen und etwas Helium, der von der Sonnenoberfläche mit einer Geschwindigkeit von 300-800 km/s ins All strömt. Seine Entstehung liegt in der extremen Hitze der Sonnenkorona, die so stark ist, dass die Sonnengravitation die Teilchen nicht mehr halten kann.

2. Erdmagnetfeld (Magnetosphäre): Das Magnetfeld der Erde, das hauptsächlich durch Ströme im flüssigen äußeren Erdkern erzeugt wird. Interessanterweise sind die magnetischen und geografischen Pole vertauscht - der magnetische Südpol liegt nahe dem geografischen Nordpol.

Normalerweise schützt das Erdmagnetfeld unseren Planeten, indem es die geladenen Teilchen des Sonnenwinds ablenkt. Unter bestimmten Bedingungen können die Magnetfeldlinien des Sonnenwinds und der Erde jedoch verbunden werden. Entlang dieser verbundenen Feldlinien können Sonnenwindteilchen in die Magnetosphäre eindringen.

🌟 Faszinierend: Wenn diese geladenen Teilchen mit Atomen in der oberen Atmosphäre kollidieren, übertragen sie Energie. Beim Zurückfallen in den Grundzustand geben diese Atome die überschüssige Energie als Licht ab - das Polarlicht entsteht!

Formen und Farben der Polarlichter

Polarlichter zeigen sich in unterschiedlichen Formen, die durch Variationen des einfallenden Teilchenstroms entstehen:

• Ruhige Bögen: Dehnen sich von Ost nach West aus, erscheinen vorwiegend am Abend und dauern bis zu 10 Minuten
• Bänder: S-förmig mit wechselnder Intensität, oft mit helleren Strahlen durchsetzt
• Korona: Ringförmige Strahlen, die von einem Punkt ausgehen
• Vorhang: Aufgebaut aus gleich hellen Strahlen, etwa 100 m dick und 100 km hoch, sehr dünn und schnell beweglich

Die Farben der Polarlichter werden durch die Art der angeregten Gase und die Höhe bestimmt:

• Grüne und rote Lichter: Entstehen durch Kollision mit Sauerstoffatomen in 80-150 km Höhe (Wellenlänge 557,7 nm für Grün, 630 nm für Rot)
• Blaue und violette Lichter: Entstehen durch Kollision mit Stickstoffatomen in 150-600 km Höhe $Wellenlänge 350-475 nm$
• Weiße und gelbe Lichter: Entstehen durch Überlagerung der Hauptfarben

Die Helligkeit der Polarlichter variiert mit der Stärke des Sonnenwinds und wird nach dem "International Brightness Coefficient" (IBC) in vier Klassen eingeteilt, von "so hell wie die Milchstraße" (IBC I) bis "so hell wie der Vollmond" (IBC IV).