Ein Polarlicht, manchmal auch als Nordlicht oder Südlicht bezeichnet, ist eine natürliche Lichterscheinung am Himmel der Erde, die vorwiegend in den Regionen der hohen Breiten (um die Arktis und Antarktis) zu sehen ist.
Polarlichter sind das Ergebnis von Störungen in der Magnetosphäre, die durch den Sonnenwind verursacht werden. Diese Störungen sind manchmal stark genug, um die Flugbahnen der geladenen Teilchen sowohl im Sonnenwind als auch im magnetosphärischen Plasma zu verändern. Diese Teilchen, hauptsächlich Elektronen und Protonen, schlagen sich in der oberen Atmosphäre (Thermosphäre/Exosphäre) nieder.
Die resultierende Ionisierung und Anregung atmosphärischer Bestandteile emittiert Licht unterschiedlicher Farbe und Komplexität. Die Form des Polarlichts, das innerhalb von Bändern um beide Polargebiete herum auftritt, hängt auch von der Stärke der Beschleunigung ab, die auf die ausfallenden Teilchen ausgeübt wird. Ausfallende Protonen erzeugen im Allgemeinen optische Emissionen als einfallende Wasserstoffatome, nachdem sie Elektronen aus der Atmosphäre gewonnen haben. Protonen-Aurore werden gewöhnlich in niedrigeren Breitengraden beobachtet.
Etymologie
Das Wort „Aurora“ leitet sich vom Namen der römischen Göttin der Morgenröte, Aurora, ab, die von Osten nach Westen reiste und das Kommen der Sonne ankündigte. Die griechischen Dichter der Antike benutzten den Namen metaphorisch für die Morgendämmerung und erwähnten oft ihr Farbenspiel am ansonsten dunklen Himmel (z.B. „Morgendämmerung mit rosigen Fingern“).
Vorkommen
Die meisten Polarlichter treten in einem Band auf, das als „Polarlichtzone“ bekannt ist. Dieses Band ist typischerweise 3° bis 6° breit in der Breite und zwischen 10° und 20° von den geomagnetischen Polen entfernt zu allen Ortszeiten (oder Längengraden), am deutlichsten nachts vor einem dunklen Himmel zu sehen. Eine Region, die gegenwärtig ein Polarlicht aufweist, wird als „Polarlicht-Oval“ bezeichnet, ein Band, das zur Nachtseite der Erde hin verschoben ist. Frühe Hinweise auf einen geomagnetischen Zusammenhang ergeben sich aus der Statistik der Polarlichtbeobachtungen. Elias Loomis (1860) und später Hermann Fritz (1881) und Sophus Tromholt (1881) stellten im Detail fest, dass das Polarlicht hauptsächlich in der Polarlichtzone auftrat. Die täglichen Positionen der Polarlicht-Ovale sind im Internet veröffentlicht. In den nördlichen Breitengraden ist der Effekt als Polarlicht oder Nordlicht bekannt. Der erstgenannte Begriff wurde 1619 von Galileo geprägt, aus der römischen Göttin der Morgenröte und dem griechischen Namen für den Nordwind. Das südliche Gegenstück, das Polarlicht (Aurora australis) oder Südlicht, weist fast identische Merkmale wie das Nordlicht auf und verändert sich gleichzeitig mit den Veränderungen in der nördlichen Polarlichtzone. Das Polarlicht ist von hohen südlichen Breiten in der Antarktis, Chile, Argentinien, Neuseeland und Australien sichtbar.
Ein geomagnetischer Sturm führt dazu, dass sich die Polarlicht-Ovale (Norden und Süden) ausdehnen und die Polarlichter in tiefere Breitengrade bringen. Die augenblickliche Verteilung der Polarlichter („Polarlicht-Oval“) ist leicht unterschiedlich und liegt etwa 3-5° nachts in der Mitte des Magnetpols, so dass die Polarlichtbögen am weitesten in Richtung Äquator reichen, wenn sich der betreffende Magnetpol zwischen dem Beobachter und der Sonne befindet. Die Polarlichter können zu dieser Zeit am besten gesehen werden, was als magnetische Mitternacht bezeichnet wird.
Polarlichter, die innerhalb des Polarlicht-Ovals zu sehen sind, können sich direkt über dem Horizont befinden, aber aus größerer Entfernung beleuchten sie den polwärts gerichteten Horizont als ein grünliches Leuchten oder manchmal als ein schwaches Rot, als ob die Sonne aus einer ungewöhnlichen Richtung aufgehen würde. Polarlichter treten auch polwärts der Polarlichtzone entweder als diffuse Flecken oder Bögen auf, die subvisuell sein können.
Polarlichter werden gelegentlich in Breitengraden unterhalb der Polarlichtzone beobachtet, wenn ein geomagnetischer Sturm das Polarlicht-Oval vorübergehend vergrößert. Große geomagnetische Stürme treten am häufigsten während des Höhepunktes des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus oder während der drei Jahre nach dem Höhepunkt auf.
Ein Elektron dreht sich (gyriert) um eine Feldlinie unter einem Winkel, der durch seine Geschwindigkeitsvektoren bestimmt wird, parallel bzw. senkrecht zum lokalen geomagnetischen Feldvektor B. Dieser Winkel wird als „Steigungswinkel“ des Teilchens bezeichnet. Der Abstand oder Radius des Elektrons von der Feldlinie zu einem beliebigen Zeitpunkt wird als sein Larmor-Radius bezeichnet. Der Anstellwinkel vergrößert sich, wenn das Elektron in einen Bereich mit größerer Feldstärke in der Nähe der Atmosphäre wandert. Daher ist es für einige Teilchen möglich, zurückzukehren oder zu spiegeln, wenn der Winkel 90° wird, bevor sie in die Atmosphäre eintreten, um dort mit den dichteren Molekülen zu kollidieren. Andere Teilchen, die nicht spiegeln, treten in die Atmosphäre ein und tragen zur Polarlichtdarstellung über einen Höhenbereich bei.
Andere Arten von Polarlichtern sind vom Weltraum aus beobachtet worden, z.B. „polwärts gerichtete Bögen“, die sich sonnenwärts über die Polkappe erstrecken, die verwandten „Theta-Aurora“ und „Tageslichtbögen“ gegen Mittag. Diese sind relativ selten und schlecht verstanden. Andere interessante Effekte treten auf, wie flimmernde Polarlichter, „schwarze Polarlichter“ und subvisuelle rote Bögen. Zusätzlich zu all diesen Effekten wird ein schwaches Glühen (oft tiefrot) um die beiden Polkappen beobachtet, wobei die Feldlinien die durch die Erde nahen von denjenigen trennen, die in den Schweif hineingezogen werden und sich entfernt schließen.
Bilder
Die Höhen, in denen Polarlicht-Emissionen auftreten, wurden von Carl Størmer und seinen Kollegen enthüllt, die mit Kameras mehr als 12.000 Polarlichter triangulierten. Sie entdeckten, dass das meiste Licht zwischen 90 und 150 km über dem Boden erzeugt wird, während es sich zeitweise auf mehr als 1000 km ausdehnt.
Bilder von Polarlichtern sind heute wesentlich häufiger als früher, was auf die zunehmende Verwendung von Digitalkameras mit ausreichend hoher Empfindlichkeit zurückzuführen ist. Die Film- und Digitalbelichtung von Polarlichtern ist mit Schwierigkeiten behaftet. Aufgrund der unterschiedlichen Farbspektren und der zeitlichen Veränderungen, die während der Belichtung auftreten, sind die Ergebnisse etwas unvorhersehbar. Verschiedene Schichten der Filmemulsion reagieren unterschiedlich auf geringere Lichtstärken, und die Wahl eines Films kann sehr wichtig sein. Längere Belichtungen überlagern sich schnell verändernde Merkmale und überdecken oft die dynamischen Eigenschaften eines Displays. Eine höhere Empfindlichkeit führt zu Problemen mit der Körnigkeit.
David Malin leistete Pionierarbeit bei der Mehrfachbelichtung mit mehreren Filtern für die astronomische Fotografie, indem er die Bilder im Labor rekombinierte, um die visuelle Darstellung genauer nachzubilden. Für die wissenschaftliche Forschung werden häufig Proxies wie Ultraviolett und Farbkorrektur verwendet, um das Erscheinungsbild für den Menschen zu simulieren. Es werden auch prädiktive Techniken verwendet, um die Ausdehnung der Darstellung anzuzeigen, ein sehr nützliches Werkzeug für Polarlichtjäger. Terrestrische Merkmale finden oft ihren Weg in die Polarlichtbilder, was sie zugänglicher macht und die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sie von großen Websites veröffentlicht werden. Hervorragende Bilder sind mit Standardfilm (mit ISO-Werten zwischen 100 und 400) und einer Spiegelreflexkamera mit voller Öffnung, einem lichtstarken Objektiv (z.B. f1,4 50 mm) und Belichtungszeiten zwischen 10 und 30 Sekunden, je nach der Helligkeit der Polarlichter, möglich. 1949 wurden an der Universität von Saskatchewan mit dem SCR-270-Radar erste Arbeiten zur Abbildung der Polarlichter durchgeführt.
Formen von Polarlichtern
Laut Clark (2007) gibt es vier Hauptformen, die vom Boden aus gesehen werden können, von den am wenigsten bis zu den am meisten sichtbaren:
Ein mildes Glühen, nahe dem Horizont. Diese können nahe an der Grenze der Sichtbarkeit liegen, lassen sich aber von mondbeschienenen Wolken unterscheiden, weil durch das Glühen Sterne unvermindert sichtbar sind.
Flecken oder Oberflächen, die wie Wolken aussehen. Bögen krümmen sich über den Himmel. Strahlen sind helle und dunkle Streifen über Bögen, die in unterschiedlichem Ausmaß nach oben reichen.
Kronen bedecken einen Großteil des Himmels und weichen von einem Punkt am Himmel ab. Brekke (1994) beschrieb einige Polarlichter auch als Vorhänge. Die Ähnlichkeit mit Vorhängen wird oft durch Falten innerhalb der Bögen verstärkt. Bögen können sich zersplittern oder in einzelne, zuweilen rasch wechselnde, oft gestrahlte Merkmale aufbrechen, die den ganzen Himmel ausfüllen können. Diese Formen sind auch als diskrete Polarlichter bekannt, die manchmal hell genug sind, um nachts eine Zeitung lesen zu können, was mit der Form der Polarlichter durch das Magnetfeld der Erde übereinstimmt. Die Erscheinung von Bögen, Strahlen, Vorhängen und Kronen wird durch die Formen der leuchtenden Teile der Atmosphäre und die Position des Betrachters bestimmt.
Quelle: Wiki