Nordlichter (Aurora Borealis)

„Die Natur führt uns ein Feuerwerk vor, wie es sich die kühnste Phantasie nicht herrlicher zu denken vermag. Keine Farbe und kein Pinsel vermögen es zu malen, keine Worte vermögen es in seiner ganzen Großartigkeit zu schildern.“
Carl Weyprecht
Polarforscher

Mit diesen Worten beschrieb der Polarforscher Carl Weyprecht (1838-1881) eine für ihn bis dato unbekannte atemberaubende Himmelserscheinung, die sich ihm während jener legendären österreichischen Forschungsexpedition, die in der Entdeckung des Franz-Joseph-Landes (Sommer 1873) gipfelte, darbot.

Polarlichter sind in der Tat beeindruckende, tief bewegende Ereignisse, die im Detail völlig unberechenbar und dadurch geheimnisvoll, sogar ein wenig unheimlich erscheinen.

Zahlreiche Sagen und Mythen ranken sich in den nordischen Ländern Europas, Nordamerikas und Asiens um die Erscheinung des Polarlichts.

Die vielleicht reizvollste dieser Glaubensvorstellungen ist die „finnische Erzählung eines über die Schneefläche jagenden Feuerfuchses, der mit seinem Schwanz Schneeflocken zum Himmel aufwirbelt, die dann als Nordlichter sichtbar werden.“

In der Wissenschaft werden Polarlichter als „aurora borealis“ (die nördliche Morgenröte, das „Nordlicht“) bzw. „aurora australis“ (die südliche Morgenröte, das „Südlicht“) bezeichnet.

Der Begriff „aurora“ geht dabei auf den italienischen Mathematiker und Astronom Galileo Galilei (1564-1642) zurück, der das Nordlicht nach einer eigenen Beobachtung mit einem spektakulären Sonnenaufgang verglich.

Dies erscheint zunächst einmal etwas ungewöhnlich, zumindest wenn man sich die typischen gelbgrünen Polarlicht-Bänder und Vorhänge vor Augen hält, die ja nur wenig mit einem Morgenrot gemein haben. Beachtet man aber, dass das Nordlicht in den niedrigen und mittleren Breiten ganz anders aussieht und sich hier meist nur als strukturschwache ausgedehnte rötliche Fläche am Himmel bemerkbar macht, so wird der Zusammenhang mit der klassischen „aurora“, der Morgenröte, nachvollziehbar.

Wo findet man Polarlichter?

Polarlichter finden meist fernab der Zivilisation statt. Das Südlicht, das die meiste Zeit lediglich über Teilen der Antarktis und den ausgedehnten einsamen Südmeeren aufleuchtet, bleibt sogar nahezu gänzlich unbemerkt. Und zum anderen werden selbst während starker geomagnetischer Stürme, bei welchen Polarlichter vorübergehend auch über mittleren Breiten erscheinen, diese aufgrund der fortgeschrittenen Lichtverschmutzung und naturfernen Lebensweise ihrer Bewohner kaum registriert. So ist es vermutlich nur etwas mehr als 1% der Erdbevölkerung vorbehalten, jemals Polarlichter zu sehen.

Die beste Chance bietet sich jedenfalls in der Nordlichtzone.

Diese umfasst in etwa Island, Nord-Norwegen, die nördlichsten Teile Schwedens und Finnlands, die Südhälfte Svalbards, Nowaja Semlja, die nördlichsten Teile Sibiriens, Nord-Alaska, weite Teile Nord- und Mittel-Kanadas sowie Süd-Grönland. Hier treten Nordlichter praktisch jede Nacht auf und können bei klarem Wetter und ausreichend dunklem Himmel meist auch gesehen werden.

Abseits dieser Regionen geht die Zahl an Polarlichtern aber merklich zurück.

Wann treten Polarlichter auf?

Das Auftreten der Polarlichter unterliegt sowohl einem markanten Tages- als auch einem ausgeprägten Jahresgang und selbst von Jahr zu Jahr können auffällige Unterschiede festgestellt werden.

Innerhalb eines Tages besteht die größte Wahrscheinlichkeit für Polarlichter in den Stunden um die sogenannte magnetische Mitternacht. Die magnetische Mitternacht tritt dann ein, wenn sich die Sonne, der auf der Nachtseite befindliche Beobachter und der zugehörige Pol des Erdmagnetfeldes (Nord- oder Südpol) in einer Linie befinden. Begründet ist dieses mitternächtliche Maximum in der Asymmetrie der Polarlichtovale, der beiden ausgedehnten Lichtringe innerhalb der Polarlichtzonen, welche an der Nachtseite der Erde einen stets größeren Abstand zu den geomagnetischen Polen einnehmen als an deren Tagseite. Konsequenterweise wird dann in polnahen Regionen ab etwa 75° geomagnetischer Breite das Polarlicht um die Mittagszeit häufiger auftreten als zu Mitternacht. Kein wesentlicher Zusammenhang zur Tageszeit ist hingegen in den niedrigen Breiten gegeben. Hier wird das Erscheinen der in diesen Regionen ja nur selten vorkommenden Nord- und Südlichter durch vorübergehende solare Extremereignisse bestimmt, welche keinen Bezug zu den irdischen Tageszeiten aufweisen.

Im Verlauf eines Jahres stechen besonders die Monate März und April sowie September und Oktober als relativ günstige Monate bzw. Dezember, Januar, Juni und Juli als die Monate mit den ungünstigsten Bedingungen für Polarlichter hervor.

So liegt zum Beispiel der Grad der geomagnetischen Aktivität, ein Maß, welches recht gut mit dem Auftreten von Polarlichtern korreliert, im langjährigen Mittel in den Monaten März/April um gut 43% und im September/Oktober um knapp 38% höher als in den Hochwintermonaten Dezember/Januar. Die recht markante Ausprägung dieses Jahresganges konnte noch nicht umfassend geklärt werden.

Die Variabilität von Jahr zu Jahr ist ebenfalls beträchtlich und kann mit dem Sonnenfleckenzyklus in Verbindung gebracht werden, wenn auch vielleicht nicht ganz so, wie vielfach erwartet wird. Denn nicht das Jahr des Sonnenfleckenmaximums bietet statistisch gesehen, wie langjährige Untersuchungen über die vergangenen 80 Jahre zeigen, die besten Bedingungen für Polarlichter sondern interessanterweise erst das dritte, vierte und fünfte Jahr nach dem (ersten) Sonnenfleckenmaximum.

 

Eigenschaften:

Die Farben der Polarlichter sind geprägt von den atmosphärischen Bestandteilen, welche die Leuchterscheinung auslösen. Hauptbestandteil der hohen Atmosphäre ist neutraler atomarer Sauerstoff. Er produziert die zwei dominierenden Farben der Aurora, einerseits gelbgrünes Licht und andererseits rotes Licht.

Da letztgenannter Prozess mit knapp zwei Minuten eine relativ lange Zeit benötigt, in der das Sauerstoffteilchen keine Störung z.B. durch den Zusammenstoß mit einem anderen Teilchen erleiden darf, entsteht rotes Polarlicht auf diese Weise erst in ausreichend dünner Luft in einer Höhe von etwa 200-320km. Gelbgrünes Polarlicht, für dessen Entstehung nur etwa eine Sekunde erforderlich ist, leuchtet hingegen in 120-140km am intensivsten.

Weitere Polarlichtfarben sind orange und magenta, die manchmal den Unterrand der Aurora in 70-90km Höhe färben. Orange kommt dabei durch eine additive Farbmischung von Stickstoffmolekülen mit Sauerstoffmolekülionen zustande, eine magenta Unterkante rührt von einer additiven Farbmischung mit neutralen und geladenen Stickstoffmolekülen her. In größerer Höhe wird fallweise violettes und blauviolettes Polarlicht  festgestellt. Es ist auf geladenen molekularen Stickstoff zurückzuführen. Und auch gelbes Nordlicht ist möglich, wenn sich hintereinander befindliche Polarlichtstrukturen additiv überlagern. Bei all dieser Farbenpracht ist aber doch kritisch anzumerken, dass aufgrund der angeborenen Schwäche des menschlichen Auges, während der Nacht Farben zu erkennen, Polarlichter uns oft nur als unauffällige weiße Wolkenschleier mit einem fahlen gelbgrünen Touch erscheinen. Erst wenn die Lichter heller werden, treten die Farben deutlicher zutage und es können zuweilen eindeutig grüne, violette oder auch rote Farbtöne ausgemacht werden. Die gesamte Farbenpracht des Polarlichts offenbart sich aber stets nur den Sensoren von Digitalkameras.

 Geht man davon aus, dass an einem durchschnittlichen Auroraereignis ungefähr 2 Mia. Partikel pro Quadratzentimeter und Sekunde beteiligt sind mit einer Anregungsenergie von typischerweise etwa 3keV, so folgt daraus eine Gesamtstrahlungsleistung von etwa 0,01W/m². Das ist, gelinde gesagt, nicht allzu viel und ermöglicht nur bei ausreichend dunklem und gut durchsichtigem Himmel eine ansprechende Polarlichtsichtbarkeit. Neben den von der Natur vorgegebenen Bedingungen einer ausreichend tief unter dem Horizont befindlichen Sonne sowie nicht zu hellem Mondlicht ist es unerlässlich, von künstlicher Lichtverschmutzung Abstand zu nehmen, um Polarlichter überhaupt wahrzunehmen. Genauso sollte die atmosphärische Durchsicht eine gute Qualität erreichen, also die Luft sauber, gering bewölkt und von niedriger Luftfeuchtigkeit sein.

Begibt man sich aber bei klarem Wetter an einen dunklen Standort, so wird man überwältigt sein, welch beeindruckende Leuchtkraft eine an sich gar nicht so intensive Erscheinung entfaltet, wenn sie sich über die große Himmelsfläche ausbreitet und damit ein großartiges Schauspiel abliefert. Die Helligkeit von Polarlichtern wird in 4 Klassen nach dem sogenannten „International Brightness Coefficient“ IBC eingestuft:

IBC I: so hell wie die Milchstraße

IBC II: so hell wie vom Mond beschienene Federwolken

IBC III: so hell wie vom Mond beleuchtete Haufenwolken

IBC IV: die Aurora beleuchtet die Landschaft etwa so hell wie der Vollmond.

Polarlichter zeigen sich in so vielfältigen Formen, dass jeder glückliche Beobachter sicher sein kann, einem einmaligen Ereignis beizuwohnen, das sich im Detail zu keinem anderen Zeitpunkt mit gleichem Ablauf wiederholen wird. Befindet man sich zum Beispiel im Norden Lapplands oder in Island, so wird man bei geomagnetisch ruhigen Verhältnissen Richtung Norden den ruhigen Polarlichtbogen (A … arc) erkennen, meist sanft leuchtend gelbgrün.

Bei größerer Aktivität entwickeln sich Bänder (B … bands) in Form von Schleifen, Spiralen oder Wellen.

Besonders beeindruckend sind jedoch die gewaltigen Vorhänge (D … draperies), die am Nachthimmel zu hängen scheinen und in einem lautlosen Wind flattern.

Manchmal zieren Schleier (S … surface) oder Strahlen (R … rays) das Firmament, die vorübergehend so hell werden können, dass selbst auffällige Sterne verblassen.

Die Krönung eines Aurorasturms ist jedoch die Korona (C … corona), ein prächtiges aktives Polarlicht senkrecht über dem Beobachter, welches einen unvergessenen Einblick in das Innere dieser Erscheinung gewährt. Bewegungen und Helligkeitsänderungen erfolgen zuweilen in exorbitant hohem Tempo. So kann, wenn sich die Zone der Partikelanregung plötzlich rasch verlagert, die „scheinbare“ Geschwindigkeit von Polarlichtstrukturen Werte bis zu 100km/s erreichen. Bei günstigen Bedingungen sind Polarlichter während der ganzen Nacht zu sehen, wobei nicht selten verschiedene Formen gleichzeitig weite Bereiche des Himmels bedecken.

Nach Mitternacht zeigen sich auch die strukturlosen Flecken (G … glow oder P … pulsating glow) häufiger, sie markieren oft das Ende eines aktiven Aurorasturms.

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