Grundlegendes zu Polarlichtern

Polarlichter sind Leuchterscheinungen, die durch angeregte Stickstoff- und Sauerstoffatome in der Hochatmosphäre entstehen. Sie werden auf der Nordhalbkugel als "Aurora borealis" (Nordlicht) und auf der Südhalbkugel als "Aurora australis" (Südlicht) bezeichnet.

Diese Lichtphänomene treten besonders häufig in den Polargebieten auf, typischerweise in einem Gürtel rund um den magnetischen Pol. In den Wintermonaten bei Dunkelheit und zur sogenannten "magnetischen Mitternacht" sind sie am besten zu beobachten. Auf der Nordhalbkugel sind sie vor allem in Skandinavien, Schottland, Sibirien, Grönland, Kanada und Alaska sichtbar.

Obwohl exakte Vorhersagen nicht möglich sind, kann die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens mit dem KP-Index $Skala von 0-9$ angegeben werden. Je höher der Index, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten von Polarlichtern.

Wusstest du? Polarlichter können auch in mittleren Breiten auftreten. Allerdings machen Luftverschmutzung und Lichtverschmutzung sie für uns dort kaum sichtbar.

Geschichte und Mythen der Polarlichter

Im Laufe der Geschichte haben verschiedene Kulturen faszinierende Erklärungen für Polarlichter entwickelt. Für Eskimos entstanden sie durch Geister, die mit einem Walrossschädel Ball spielten. Wikinger sahen darin tanzende Walküren nach einer gewonnenen Schlacht, während andere Kulturen sie als Zeichen der Götter oder als Vorboten von Unheil und Krieg deuteten.

Die wissenschaftliche Erforschung begann Anfang des 18. Jahrhunderts mit Edmond Halley, der einen Zusammenhang zwischen Polarlichtern und dem Magnetfeld vermutete. Diese These wurde 1741 durch Experimente mit einer Magnetnadel bestätigt. 1847 erkannte Anders Jonas Angström, dass Polarlichter durch ein selbstleuchtendes Gas entstehen.

Der entscheidende Durchbruch kam mit dem "Terrella"-Versuch (kleine Erde), der zeigte, dass Elektronen für das Phänomen verantwortlich sind. Der Mathematiker Carl Strömer berechnete schließlich die Bahnen dieser Teilchen und legte damit den Grundstein für unser heutiges Verständnis.

Die wissenschaftliche Erkenntnis, dass Polarlichter durch die Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und Erdmagnetfeld entstehen, hat die mystischen Erklärungen abgelöst, ohne jedoch die Faszination für dieses Naturschauspiel zu mindern.

Der Fadenstrahlrohr-Versuch

Um die physikalischen Grundlagen der Polarlichter zu verstehen, kann man einen Versuch mit einem Fadenstrahlrohr durchführen. Dieses Gerät besteht aus einer Elektronenkanone und einem mit Helium gefüllten Glaskolben, der zwischen zwei Helmholtz-Spulen platziert wird.

In diesem Versuch werden Elektronen beschleunigt und durch ein Magnetfeld geleitet, was ihre Bewegung auf eine Kreisbahn zwingt. Die Lorentzkraft spielt dabei eine zentrale Rolle - sie wirkt wie eine Zentripetalkraft und ist für die Kreisbewegung verantwortlich. Durch die Interaktion der Elektronen mit den Heliummolekülen entsteht ein sichtbares Leuchten, ähnlich wie bei Polarlichtern.

Die Elektronenkanone besteht aus einer Heizspirale, einer Kathode und einer Anode. Durch Anlegen einer Heizspannung bildet sich eine Elektronenwolke, die dann durch eine Beschleunigungsspannung in Bewegung gesetzt wird. Ein Teil der Elektronen durchdringt die Anode und bildet einen Elektronenstrahl.

Prüfungswissen: Mit diesem Versuch kann sowohl die spezifische Ladung des Elektrons als auch die Elektronenmasse bestimmt werden - wichtige Grundlagenwerte in der Physik.

Helmholtz-Spulen und physikalische Gesetzmäßigkeiten

Die Helmholtz-Spulen erzeugen ein homogenes Magnetfeld, in dem sich die Elektronen bewegen. Diese Spulen wurden von dem deutschen Physiker Hermann von Helmholtz (1821-1894) entwickelt und bestehen aus zwei gleichen, parallel angeordneten Spulen, die vom selben Strom durchflossen werden.

Um die Richtung des Magnetfeldes und der Kraft zu bestimmen, gibt es zwei hilfreiche Regeln:

1. Die Rechte-Faust-Regel: Zur Bestimmung der Magnetfeldrichtung schließt du die rechte Hand zur Faust und streckst den Daumen in Stromrichtung. Die gekrümmten Finger zeigen dann die Richtung des Magnetfeldes an.

2. Die Drei-Finger-Regel: Mit dieser Regel bestimmst du die Richtung der Lorentzkraft. Bei negativen Ladungen (Elektronen) verwendest du die linke Hand: Daumen in Richtung der Teilchenbewegung, Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes, und der im 90°-Winkel abstehende Mittelfinger zeigt dann die Kraftrichtung an.

Wird der Spulenstrom erhöht, verstärkt sich das Magnetfeld, was zu einer stärkeren Ablenkung der Elektronen und somit zu einer kleineren Kreisbahn führt. Dieses Prinzip lässt sich auch auf die Entstehung von Polarlichtern übertragen.

Physikalische Entstehung der Polarlichter

Polarlichter entstehen durch die Wechselwirkung zwischen dem Erdmagnetfeld (Magnetosphäre) und dem Sonnenwind. Die Sonne sendet kontinuierlich einen Strom aus Elektronen, Protonen und etwas Helium aus - den Sonnenwind. Diese geladenen Teilchen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 300-800 km/s durch das Sonnensystem.

Normalerweise schützt das Erdmagnetfeld unseren Planeten vor dem Sonnenwind, indem es die geladenen Teilchen durch die Lorentzkraft ablenkt und um die Erde herumleitet. Unter bestimmten Bedingungen kann es jedoch zu einer Verbindung zwischen den Magnetfeldlinien des Sonnenwinds und denen der Magnetosphäre kommen.

Entlang dieser verbundenen Feldlinien können die Sonnenwindteilchen in die Magnetosphäre eindringen und sammeln sich in der Plasmaschicht. Von dort fließen elektrische Ströme entlang der magnetischen Feldlinien in die Ionosphäre, wo die einfallenden Elektronen mit den Atomen der Erdatmosphäre zusammenstoßen.

Dieser Zusammenstoß regt die Atmosphärenteilchen an. Wenn sie wieder in ihren Grundzustand zurückfallen, geben sie Energie in Form von Licht ab - das sichtbare Polarlicht.

Physik-Tipp: Die geografischen und magnetischen Pole der Erde sind vertauscht! Der magnetische Südpol liegt nahe dem geografischen Nordpol und umgekehrt.

Formen und Farben der Polarlichter

Polarlichter erscheinen in verschiedenen Formen, die durch die zeitlichen und räumlichen Variationen des einfallenden Teilchenstroms entstehen. Zu den häufigsten Formen gehören:

• 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, hauptsächlich um Mitternacht zu sehen
• Korona: Ringförmige Strahlen, die von einem Punkt ausgehen
• Vorhang: Aufgebaut aus gleich hellen Strahlen, sehr dünn und durchscheinend

Die Farben der Polarlichter hängen von der Höhe und der Art des angeregten Gases ab:

• Grüne und rote Lichter entstehen durch Kollisionen mit Sauerstoffatomen $80-150 km Höhe$
• Blaue und violette Lichter werden durch Kollisionen mit Stickstoffatomen erzeugt $150-600 km Höhe$
• Weiße und gelbe Lichter entstehen durch das Überlappen der Hauptfarben

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