Mysterien des Alltags erklärt: Das Polarlicht

Hoch im Norden kannst du eine spannende Leuchterscheinung erleben: Bunte Lichtfächer wabern dort über den Nachthimmel. Das Polarlicht leuchtet in Rot, Grün oder Blau. Manchmal kannst du es auch in Deutschland sehen. Was hat es mit diesem geisterhaften Leuchten auf sich?

Ein seltsames Leuchten

Schon die alten Wikingerinnen und Wikinger haben sich über das Polarlicht gewundert. Wenn sie in ihren Drachenbooten über den eisigen Ozean fuhren, mussten sie sehr oft in den dunklen Nachthimmel blicken. Mithilfe der Sterne konnten sie sich nämlich auf dem Meer orientieren. Natürlich blieb ihnen dabei das Polarlicht nicht verborgen. Sie sahen in den eigenartigen, vielfarbigen Bögen und Bändern geheime Botschaften ihrer Götter.

Orientierung am Stenenhimmel

Es hat lange gedauert, bis die Menschen eine bessere Erklärung gefunden hatten. Der Sonnenwind, das Erdmagnetfeld und die Atome in unserer Atmosphäre gehen eine komplexe Wechselbeziehung ein – kein Wunder also, dass dabei ein so vielfältiges Farbspiel herauskommt.

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Der Ursprung: Die Sonne

Die Sonne liefert die Energie für vieles: Schokolade wird aus Kakaobohnen hergestellt – und die reifen in der Sonne. Das Erdöl für Benzin kommt zwar aus der Erde, aber es ist auch nichts anderes als konservierte Sonnenenergie längst vergangener Zeiten. Letztlich liefert die Sonne auch die Energie für das Polarlicht.

Plasma, Gas und Sonnenwind – die Sonne als Energielieferant 

Die Sonne besteht aus dem Plasma der Stoffe Wasserstoff und Helium. Da die Sonne extrem heiß ist, kann dort kein Gas existieren. Auf ihr herrschen circa 5.700 Kelvin.

Gas und Plasma

Stoffe können in festem, flüssigem und gasförmigem Zustand auftreten. Diese verschiedenen Erscheinungsformen nennt man in der Physik Aggregatzustände. In Gasen finden sich negative Elektronen und positive Atomkerne zusammen und bilden elektrisch neutrale Teilchen. Gas leitet deshalb keinen Strom. Wird ein Gas so stark erhitzt, dass Elektronen und Atomkerne ihre Verbindung verlieren, entsteht ein Gemisch aus geladenen Teilchen mit völlig anderen Eigenschaften. Es handelt sich um einen vierten Aggregatzustand: das Plasma. Vom Gas unterscheidet es sich z. B. durch die elektrische Leitfähigkeit und das charakteristische Leuchten, dessen Farbe von der Stoffzusammensetzung des Plasmas abhängt.

Von der Sonne geht ein beständiger Teilchenstrom an Plasma aus, der Sonnenwind. Die Sonne verliert durch diesen Strom fast 100 Milliarden Tonnen pro Tag! Das klingt nach einer enormen Menge. Es ist aber tatsächlich nur ein winziger Bruchteil ihrer Gesamtmasse. Der Sonnenwind besteht auch aus geladenen Teilchen. Manchmal ist der Sonnenwind stärker und manchmal schwächer, je nach Aktivität der Sonne.

Sonnenwind trifft auf Erdmagnetfeld

Eine Kompassnadel zeigt immer nach Norden, da sich nach dem Magnetfeld der Erde ausrichtet. Dieses sieht so ähnlich aus wie das Magnetfeld eines Stabmagneten, nur eben viel größer. Es ist auf dem ganzen Globus wirksam und erstreckt sich auch weit in den Weltraum hinaus. 

Erdmagnetfeld
© sofatu/tor.com

Im Weltraum treffen die geladenen Teilchen des Sonnenwindes auf das Magnetfeld der Erde und werden abgelenkt. Normalerweise werden die Sonnenwind-Teilchen dabei um unseren Planeten herumgeleitet und verschwinden danach wieder im Weltraum. Das alles geschieht, für uns unsichtbar, in großer Höhe über der Erde. Deshalb konnte man den Sonnenwind erst vor wenigen Jahrzehnten zweifelsfrei nachweisen. Das gelang erst dank des Einsatzes von Forschungssonden im Jahr 1959.

© Designua/shutterstock.com

Die Atmosphäre leuchtet

Einige der geladenen Sonnenwindteilchen werden vom Magnetfeld der Erde aber gerade so abgelenkt, dass sie in die obere Atmosphäre der Erde gelangen. Dort stoßen sie mit den Atomen der Luft zusammen und führen ihnen so Energie zu.

Erklärung

In Atomen vereinigen sich negative Elektronen und positive Atomkerne und bilden elektrisch neutrale Teilchen. Wird den Atomen aber Energie zugeführt, können die Atomkerne die Elektronen verlieren. Genau das passiert in der Atmosphäre der Erde. Die frei gewordenen Elektronen finden sich dann wieder mit anderen Atomkernen zusammen. Bei dieser erneuten Vereinigung geben die Elektronen die zugeführte Energie wieder ab – und das in Form von Licht. Dieser Vorgang wird auch Rekombination genannt.

Dieses Spektakel findet bevorzugt über den Gegenden der irdischen Magnetpole, also am Süd- bzw. Nordpol, statt. Weil die in den Polargebieten liegen, sieht man das Licht meistens dort. Deshalb heißt das so entstehende Naturphänomen Polarlicht. Es wird je nach örtlichem Auftreten auch Nordlicht (Aurora borealis) oder Südlicht (Aurora australis) genannt. 

Manchmal ist der Sonnenwind so stark, dass das Polarlicht auch weiter südlich gesehen werden kann. In Deutschland erscheint es etwa ein dutzend Mal im Jahr, noch seltener kann man es in Südeuropa sehen.

Lauter bunte Farben

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© Simon’s passion 4 Travel/shutterstock.com

Auf Fotos kannst du erkennen, dass das Polarlicht nicht einfach weiß ist. Grün schimmernde Vorhänge wechseln sich mit roten Bögen und blauen Strahlen ab. Die Farben verraten dir, mit Gasteilchen die Sonnenwindpartikel zusammengestoßen sind. 

Erklärung

Elektronen nehmen im Atom nur bestimmte Energien an. Freie Elektronen, die sich in der Atmosphäre zu Atomkernen gesellen, geben deshalb genau diese bestimmten Energiebeträge wieder ab. Die Energiebeträge sind bei jedem Stoff ein bisschen anders. Und deshalb ist das Licht bei jedem Stoff anders gefärbt. Rotes und grünes Licht entsteht an Sauerstoffatomen. Stickstoff dagegen leuchtet blau.

Übrigens: Um ein Polarlicht zu sehen, musst du nicht unbedingt in den hohen Norden fahren. Im Internet findest du Polarlicht-Vorhersagen, die angeben, ob eine Polarlichterscheinung in Deutschland gerade wahrscheinlich ist. Wenn du das Polarlicht beobachten willst, ist es gut, einen dunklen Standort auszuwählen und am Nordhimmel nach dem Leuchten Ausschau zu halten. Mit etwas Glück kannst du eine spektakuläre Lichtshow erleben! 

Extra: Das Polarlicht auf Fotos einfangen

Wenn du das Polarlicht auf einem Foto festhalten möchtest, eignet sich eine sternenklare Nacht ohne Mond am besten. 

Um ein Foto zu machen, benötigst du eine Kamera mit manuellem Modus und ein Stativ. Die Einstellung der Kamera solltest du so wählen, dass du ohne UV-Filter und mit längerer Belichtungszeit fotografieren kannst. Stelle den ISO-Wert auf 800 oder 1600 und wähle eine Belichtungszeit zwischen 5 und 15 Sekunden. Die Aufnahme machst du am besten mit einem Fernauslöser. Nach der Aufnahme solltest du den UV-Filter unbedingt wieder einsetzen, um den Fotochip zu schützen.

Um ein Foto zu machen, benötigst du eine Kamera mit manuellem Modus und ein Stativ. Die Einstellung deiner Kamera solltest du so wählen, dass du ohne UV-Filter und mit längerer Belichtungszeit fotografierst. Bei Mondschein solltest du die Einstellung „Iso 800“ mit einer Belichtungszeit zwischen 3 und 13 Sekunden wählen. Wenn der Mond nicht scheint, sollte eine längere Belichtungszeit gewählt werden. Nach der Aufnahme solltest du den UV-Filter unbedingt wieder einsetzen, um den Fotochip zu schützen.

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Titelbild: ©Jamen Percy/shutterstock.com

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