Wie entstehen die Nordlichter?

Schon lange, bevor wir die Fakten rund um die Nordlichter kannten, erzählten sich unsere Vorfahren Geschichten von Göttern und Ungeheuern, um sich zu erklären, warum die Nordlichter erschienen, und sie lehrten ihre Völker, die Lichter am Himmel zu respektieren, zu fürchten oder sogar anzubeten. Diese Geschichten entwickelten sich schließlich zu Legenden und Mythen.

Obwohl wir heutzutage wissen, warum die Nord- (und Süd-)lichter erscheinen, haben sie von ihrer alten Mystik und Anziehungskraft nichts verloren – selbst für Menschen, die sich mit den Fakten zu den Nordlichtern so gut auskennen wie der Astronom und bekennende Nordlichtsüchtige Tom Kerss. Trotz seines Abschlusses in Astrophysik und seiner fundierten Kenntnisse der wissenschaftlichen Hintergründe dieses Phänomens beschreibt er das Nordlicht als etwas, das „wie echte Magie ist, die sich vor unseren Augen abspielt“.

Toms Meinung wird von seiner Kollegin, der Astronomin Dr. Sadie Jones, geteilt. "Wenn das Polarlicht den ganzen Himmel einnimmt, hat man das Gefühl, dass man sein Leben in der Größenordnung des Universums ins rechte Licht rückt. Man denkt dann: Du bist ein Teil davon, du bist ein Teil des ganzen Universums.

„Ich werde nie müde, diese Frage zu beantworten. Ich möchte, dass die Leute verstehen, wie fantastisch das ist, was wir dort sehen!“, erklärt der unbeirrt enthusiastische Nordlichtexperte Dr. John Mason MBE.

Der altgediente Polarlicht-Forscher, der seit mehr als 15 Jahren an Bord von Hurtigruten-Schiffen die Aurora beobachtet, erklärt: „Die Polarlichter werden durch elektrisch geladene Partikel verursacht, die von der Sonne freigesetzt werden und 150 Millionen Kilometer durch den Weltraum zur Erde reisen.“

„Wenn man ein Bild der Sonne während einer totalen Sonnenfinsternis betrachtet, sieht man in der Mitte die dunkle Scheibe des Mondes, die die Sonne verdeckt, und am Rand die Strahlen der äußeren Sonnenatmosphäre, der Corona, die sich in den Weltraum erstrecken. Diese Ströme fließen in das ein, was wir den Sonnenwind nennen – einen stetigen Strom aus Gas und elektrisch geladenen Partikeln, der unaufhörlich von der Sonne ausgeht.“

Diese geladenen Partikel reisen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch den Weltraum. Nach einer bestimmten Zeit, vielleicht nach einigen Tagen, treffen einige von ihnen auf das Magnetfeld der Erde – die Magnetosphäre –, wo sie um den magnetischen Nord- und Südpol herum in die Regionen, die als Polarlicht-Ovale bekannt sind, abgelenkt werden.

Wenn diese eintreffenden Partikel in der oberen Erdatmosphäre auf Sauerstoff- und Stickstoffatome und -moleküle treffen, entsteht dabei Licht – das Licht, das wir als Nordlichter wahrnehmen.

Auch Darren Baskill, Dozent für Physik und Astronomie an der Universität Sussex, befasst sich mit den Details dieses Phänomens. Und mit dessen beeindruckender Wirkung. „Erst in den letzten 100 Jahren haben wir wirklich verstanden, was die Nordlichter eigentlich sind. Ich finde es einfach fantastisch, genau verstehen zu können, was da eigentlich vor sich geht, wenn ich beobachte, wie diese winzig kleinen Partikel mit der oberen Erdatmosphäre kollidieren und dann den Magnetfeldlinien folgen, die man normalerweise nicht sehen kann.“

Die Aurora flackert das ganze Jahr über am arktischen Himmel, aber die beste Zeit, um sie in Norwegen zu sehen, ist von September bis März, wenn es nachts dunkel genug ist, um sie klarer wahrzunehmen. Auch zu Frühlingsbeginn taucht sie manchmal auf.

Innerhalb dieses Zeitraums ist die beste Tageszeit, um das Nordlicht zu sehen, zwischen 17 Uhr nachmittags und 2 Uhr morgens. Manchmal erscheint das Polarlicht auch nur für wenige Minuten und verschwindet dann wieder, bevor es Minuten oder Stunden später wieder auftaucht. Manchmal ist es dagegen ganze 15 bis 30 Minuten lang zu sehen. Und mit wirklich viel Glück kann man das atemberaubende Schauspiel sogar über mehrere Stunden hinweg am Himmel verfolgen.

Die Wahrscheinlichkeit, ein besonders helles Polarlicht zu sehen, ist um die Tagundnachtgleiche Ende September und Ende März höher. Das nennt man auch den Äquinoktial-Effekt. Obwohl die genauen Hintergründe noch erforscht werden, kann dies zumindest teilweise auf den Russell-McPherron-Effekt zurückgeführt werden. Dabei handelt es sich um eine günstige Ausrichtung der Magnetfelder der Erde und des Sonnenwindes, was die Entstehung geomagnetischer Stürme wahrscheinlicher macht.

Die Intensität und Häufigkeit des Nordlichts hängt auch von der Aktivität der Sonne ab. Dr. Mason erklärt, dass die beeindruckendsten Himmelserscheinungen dann auftreten, wenn die Anzahl der elektrisch geladenen Teilchen und die Geschwindigkeit des Sonnenwindes durch eine Eruption auf der Sonne erhöht werden.

Basierend auf dem Sonnenzyklus wird das nächste Sonnenmaximum in der nächsten Saison 2024–25 erwartet – dann sind die Chancen besonders groß, die Aurora nicht nur zu sehen, sondern sie auch in ihren beeindruckendsten Erscheinungsformen zu erleben. Das nächste Sonnenmaximum wird erst wieder in 11 bis 15 Jahren eintreten.

Darren Baskill sagt voraus, dass das Sonnenmaximum zu „deutlich mehr“ Polarlichtern führen wird. „Wir nähern uns dem Maximum, weshalb nach meiner Einschätzung jetzt mit einer besonders hohen Aktivität und im Grunde alle paar Tage mit Polarlichtern zu rechnen ist. Im Gegensatz dazu musste man vor fünf Jahren noch wochenlang warten, um überhaupt irgendetwas zu sehen.“

Laut Dr. Mason gibt es unterschiedliche Formen von Polarlichtern. „Wenn man ein Polarlicht sieht, kann es unter Umständen zunächst gräulich, eventuell auch mit einem Hauch von Grün, am Himmel erscheinen, aber normalerweise bildet es einen Bogen oder ein Gewölbe aus grünlichem Licht am nördlichen Himmel, manchmal mit Strahlen, die ein wenig an Scheinwerferstrahlen erinnern und die ausgehend von diesem Bogen nach oben in den Himmel ragen.“

Ausgehend von der Grundform dieses Bogens kann das Phänomen innerhalb von Minuten oder manchmal auch Stunden eine Vielzahl faszinierender Formen entwickeln, wie z. B. das Polarlichtband, das über den arktischen Himmel tänzelt und sich im Laufe der Zeit recht schnell verändern und verzerren kann. „Unter Umständen kann man auch eine Art Vorhang oder Tuch aus Polarlichtstrahlen sehen, das sich über den Himmel erstreckt“, sagt Dr. Mason. „Es kann wie ein Vorhang aussehen, der sanft in einer Brise weht.“

„Manchmal erstrecken sich die Strahlen bis hoch in den arktischen Himmel, wo sie in großer Höhe zusammenzulaufen. In diesem Fall kann man eine der beeindruckendsten Formen des Polarlichts sehen: die Corona, oder Krone. Sie kann wie ein Feuerwerk aussehen, das hoch am Himmel über Ihnen explodiert.“

Dr. Mason erklärt, dass alle Polarlichtaktivitäten durch elektrisch geladene Partikel verursacht werden, die mit sehr hoher Geschwindigkeit in die Erdatmosphäre eindringen und mit den Luftpartikeln hoch über dem Erdboden kollidieren. Wenn die verschiedenen angeregten Partikel in der Luft wieder in ihren normalen Zustand zurückkehren, geben sie die überschüssige Energie in Form von Licht in verschiedenen Farben ab.

Die Luft, die wir einatmen, besteht hauptsächlich aus zwei Gasen: Sauerstoff, der etwa ein Fünftel ausmacht, und Stickstoff, der etwa vier Fünftel ausmacht. Die grünen und rosaroten Farbtöne werden durch angeregte Sauerstoffatome verursacht. Das Grün stammt von Sauerstoffatomen in 100 bis 150 Kilometern Höhe, das Rot hingegen entsteht in 150 bis 350 Kilometern Höhe über dem Erdboden.

Das andere Hauptgas in der Erdatmosphäre ist Stickstoff, der sich nur schwer anregen lässt. Dr. Mason führt weiter aus: „Man muss die Partikel entweder sehr hart anstoßen oder sie mit ultraviolettem Licht bestrahlen, wodurch sie sich leichter anregen lassen. Die violette oder lilafarbene Hintergrundfärbung wird von angeregten Stickstoffatomen verursacht, die sich typischerweise 250 bis 400 Kilometer über dem Erdboden befinden.“

„Angeregte Stickstoffatome erzeugen auch die schönste aller Polarlichtfarben: die wunderschönen Lila- und Rosa-Töne, die man dann sehen kann, wenn das Polarlicht am aktivsten ist – nämlich dann, wenn die Partikel bis in 95 bis 100 Kilometer Höhe über der Erdoberfläche vordringen. Angeregte Stickstoffatome können auch eine türkise Farbe oder ein tieferes Blau erzeugen.“

Für unsere Augen können die Farben der Aurora durchaus subtil wirken. Die Farbe Grün, in der das Polarlicht am häufigsten auftritt, nehmen wir am intensivsten wahr. Seltener kann es aber auch rosa, rote, magentafarbene und blaue Farbtöne annehmen. Laut Dr. Mason ist die beste Zeit, um die Farben der Aurora mit bloßem Auge zu sehen, die Dämmerung.

„Das liegt daran, dass die Helligkeit des Hintergrundhimmels die Farbsensoren in Ihrem Auge anregt, sodass Sie die Farben der Lichter wahrnehmen können, wenn diese am Himmel erscheinen. Wenn der Himmel richtig dunkel ist, werden Sie feststellen, dass Sie die Farben nicht mehr so gut wahrnehmen können wie vorher, es sei denn, das Himmelsspektakel wird heller. Es kommt immer darauf an, wie unsere Augen Farben in der Dunkelheit wahrnehmen.“

Dies trifft jedoch nicht auf Kameras zu, die sehr gut in der Lage sind, die volle Farbenpracht des Nordlichts abzubilden. Wie Sie die Farben des Polarlichts am besten mit der Kamera einfangen, erfahren Sie in unseren Fototipps.

Dr. Sadie Jones, Astronomin und Senior Teaching Fellow an der Universität Southampton, arbeitet an einem Forschungsprojekt namens Aurora Zoo. Eines ihrer Ziele ist es, zu verstehen, was mit der Energie geschieht, die beim Auftreten von Polarlichtern in der oberen Atmosphäre freigesetzt wird, und welche Auswirkungen dies auf Satelliten und das Wetter auf der Erde hat.

„Die meisten Wetterdienste konzentrieren sich darauf, was mit dem Wetter in einer Höhe von bis zu 100 Kilometern in der Atmosphäre geschieht“, sagt Dr. Jones. „Früher haben sie sich nie Gedanken darüber gemacht, was oberhalb von 100 Kilometern passiert, denn das ist für sie der Weltraum.“

„Das Polarlicht entsteht in einer Höhe von 100 bis 300 Kilometern, und das neue Forschungsprojekt Aurora Zoo zoomt die Bewegungen der Nordlichter in der oberen Atmosphäre heran und liefert uns mehr Daten darüber, was genau dort vor sich geht.“

„Wir wissen jetzt, dass das Polarlicht, auch wenn es viel höher entsteht, einen Einfluss auf die Temperaturen und die Wettermodelle hat, die sich darunter abspielen. Die Wetterdienste sind sich nun bewusst, dass sie vielleicht etwas höher schauen müssen, als sie es bisher taten.“

Ein weiterer Aspekt des Forschungsprojekts Aurora Zoo ist die Untersuchung der Bewegungen und Formen der Nordlichter. An diesem aufregenden neuen Forschungsprojekt kann sich jeder beteiligen, indem er die Wissenschaftler bei der Analyse ihrer großen Datenmengen unterstützt. So können auch Sie mithelfen, bisher unbekannte Fakten zu diesem spannenden Phänomen am Nachthimmel aufzudecken.

Ebenso faszinierend wie die wissenschaftlichen Hintergründe zu den Nordlichtern ist die Art und Weise, wie unser Wissen über die Nordlichter die wissenschaftliche Forschung in ganz anderen Bereichen unterstützen kann, z. B. bei der Klima- und Wettermodellierung – und sogar bei der Erforschung fremder Welten.

„Mein Lieblingsgebiet innerhalb der Nordlichtforschung steckt noch in den Kinderschuhen: Hierbei geht es darum, das, was wir über die Nordlichter auf der Erde wissen, für die Erforschung fremder Welten zu nutzen“, sagt Tom Kerss. „Ein gutes Beispiel dafür ist Ganymed, einer der Monde des Jupiters. Die dort entdeckten Nordlicht-Emissionen ließen darauf schließen, dass es unter seiner eisigen Oberfläche vermutlich einen Salzwasserozean geben muss. Eine bestimmte Dichte von Salzwasser, die im Inneren des Mondes wie ein großes elektromagnetisches Feld wirkt, würde zu einem sekundären Magnetfeld führen, das die Polarlichter stabilisiert.

„Wenn unser Wissen über die Polarlichter uns etwas über die Zusammensetzung der Atmosphäre oder über das Magnetfeld unseres Planeten verrät, könnte es auch wichtige Hinweise auf die Bedingungen liefern, die vielleicht Leben auf anderen Planeten in unserer Milchstraße begünstigen. Die Vorstellung, dass dieses bisher so geheimnisvolle Phänomen ein Teil des Instrumentariums werden könnte, um fremde Welten zu erforschen, ist wirklich aufregend.“