Wie entstehen Polarlichter?

In a nutshell: Was sind Polarlichter?

Polarlichter sind farbige Lichterscheinungen, die am Nachthimmel sichtbar werden, wenn elektrisch geladene Teilchen der Sonne durch einen Sonnensturm auf Gasmoleküle und -atome in der Erdatmosphäre treffen und diese zum Leuchten anregen. 

Wie entsteht ein Sonnensturm?

Die Sonne ist ein glühender Ball aus Plasma, also Elektronen, Protonen und anderen geladenen und ungeladenen Teilchen.

Die Sonne gibt geladene Teilchen in einem stetigen Fluss ins Weltall ab – das ist der sogenannte Sonnenwind. Ab und zu findet aber in den äußeren Schichten der Sonne eine lokale Eruption statt und eine Plasmawolke voller geladener Teilchen entweicht ins All. Wissenschaftler bezeichnen das als koronalen Massenausstoß (Auf Englisch: coronal mass ejection; abgekürzt CME).

Abbildung 1: Koronaler Massenausstoß (CME) in der Sonnenatmosphäre am 31. August 2012. Das Bild enthält eine Darstellung der Erde, um die Größe des CME im Vergleich zur Erde zu verdeutlichen. Quelle: NASA Goddard Space Flight Center via Wikimedia Commons.

Durch die Plasmawolke wird der Sonnenwind für kurze Zeit stärker. Es entsteht eine Art Schockwellenfront aus geladenen Teilchen, die sich im Weltall ausbreitet und sich natürlich auch Richtung Erde bewegen kann. 1-2 Tage später trifft diese Schockwellenfront auf das Magnetfeld der Erde; dann spricht man von einem Sonnensturm oder geomagnetischen Sturm.

Ein Sonnensturm entsteht also durch lokale Eruptionen in den äußeren Schichten der Sonne.

Wie entstehen Polarlichter?

Normalerweise werden geladene Teilchen der Sonne in einer Höhe von 70.000km vom Magnetfeld der Erde abgelenkt und um die Erde herum weiter ins All geleitet. Bei einem Sonnensturm wird das Magnetfeld der Erde verformt. Dadurch gelangt ein Teil der geladenen Teilchen mit hoher Geschwindigkeit zur Erde und können in die obere Schicht der  Erdatmosphäre eindringen. In der Atmosphäre treffen sie auf gasförmige Sauerstoff- und Stickatome und -moleküle.

Diese Gasatome und -moleküle werden durch die elektrisch geladenen Teilchen angeregt. Das bedeutet: Die Teilchen übertragen Energie auf die Gasatome und -moleküle. Diese zusätzliche Energie geben die Gasmoleküle und -atome aber nach kurzer Zeit wieder ab, und zwar in Form von Licht in verschiedenen Wellenlängen.

Warum sind Polarlichter am häufigsten in Polarregionen sichtbar?

Das Magnetfeld umhüllt die Erde nicht gleichmäßig.  In den Polarregionen sammeln sich die Feldlinien des Erdmagnetfeldes und dringen senkrecht durch die Erdatmosphäre. Bei einem Sonnensturm geraten die geladenen Teilchen der Sonne entlang der Feldlinien zur Erde.  Sie können sich nicht quer zu den Feldlinien bewegen.

Polarlichter sind also häufiger in Polarregionen zu sehen, da die Feldlinien des Erdmagnetfeldes dort durch die Erdatmosphäre dringen.

Warum waren Polarlichter in Luxemburg sichtbar?

Grund dafür war ein gewaltiger Sonnensturm der Stärke G5, des Maximums auf der Skala der geomagnetischen Stürme des NOAA Space Weather Prediction Center. Dieser hat das Magnetfeld der Erde so stark verformt, dass die geladenen Teilchen auch in unseren Breitengraden durch die Erdatmosphäre dringen und Nordlichter erzeugen konnten.

Wie entstehen die Farben der Polarlichter?

Die Nordlichter in Luxemburg waren hauptsächlich rosa-violett, ein bisschen blau und hellgrün war aber auch dabei. Die Farben werden durch die verschiedenen Gasmoleküle und - atome und ihre Lage in der Erdatmosphäre bestimmt.

• Grünes Licht (557 nm): Sauerstoffmoleküle und -atome, die in etwa 100 km Höhe ionisiert werden.
• Blau-violettes Licht (391 nm und 428 nm): Stickstoffmoleküle und -atome, die in 250 – 400 km Höhe ionisiert werden.
• Rosa-rotes Licht (630 nm): Sauerstoffmoleküle und -atome, die in etwa 300 km Höhe ionisiert werden.

Sind Polarlichter mit bloßem Auge zu sehen?

Die Nordlichter am Wochenende waren teilweise mit bloßem Auge zu sehen. Das „Auge“ eines Fotoapparates ist aber viel lichtempfindlicher, und kann durch eine lange Belichtungszeit auch viel mehr Licht aufnehmen. Deswegen sehen die Nordlichter auf den Fotos beeindruckender aus, als wir sie selbst erleben.

Sind weitere Nordlichter in unserer Region zu erwarten?

Dass eine Eruption der Sonne eine solche Auswirkung in unseren Breitengraden hat, ist eher selten. Dennoch besteht aktuell die Möglichkeit für weitere Nordlichter in unseren Regionen.

Die Aktivität der Sonne variiert nämlich in Zyklen: etwa alle 11 Jahre ist sie besonders hoch und dann kommt es auch häufiger zu stärkeren Sonnenstürmen. Der nächste Höhepunkt der Sonnenaktivität wurde für 2024-25 berechnet. Es ist also nicht auszuschließen, dass weitere heftige Sonnenstürme die Erde dieses Jahr erreichen. Damit jedoch Nordlichter in Luxemburg zu sehen sind, müssen weitere Bedingungen erfüllt sein. Der Sonnensturm muss uns z.B. in der Nacht erreichen, der Himmel muss klar sein und es muss einen KP-Index (Planetary K-Index) von mindestens 7 erreichen, damit die Nordlichter zumindest auf einem Foto gut zu sehen sind. Der KP-Index quantifiziert Störungen in der horizontalen Komponente des Erdmagnetfeldes. Je höher der KP-Index, desto weiter südlich sind die Polarlichter potenziell zu sehen. Zur Beobachtung sollte man sich zudem fernab von künstlicher Städtebeleuchtung begeben.  

Auf der Internetseite des NOAA oder des Geoforschungszentrums Potsdam sind aktuelle Vorhersagen des KP-Index zu finden. Jedoch kann ein Sonnensturm nicht mehr als 1-2 Tage im Voraus vorhergesagt werden, da er auf Beobachtungen der Eruptionen auf der Sonne basiert.

Autorin: Michèle Weber (FNR)
Redaktion: Joseph Rodesch, Jean-Paul Bertemes (FNR)