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Polarlichter

Polarlichter sind in polaren Regionen der Erde (z.B. Norwegen) in den Nächten zu sehen. Sie sind oft grün und bewegen sich am Nachthimmel hin und her. Manchmal nehmen sie den gesamten Nachthimmel ein. Bei besonders starkem Auftreten der Polarlichter fallen Satelliten im Weltraum oder Hochspannungsnetze auf der Erde aus.

Polarlicht über Nord-Norwegen

Aurora Borealis Salangen1

Die Ursache sind Protuberanzen (riesige Ausbrüche von Materie) auf der Sonne, die den Sonnenwind erzeugen. Die Intensität der Protuberanzen hängt mit der Anzahl der Sonnenflecken zusammen, die in einem 11-jährigen Zyklus schwanken.


Credit: SOHO Consortium, EIT, ESA, NASA
Tanzende Protuberanz Link zur NASA


Bild des Sonnenrands bei einer Sonnenfinsternis, auf dem die Protuberanzen am Rand der Sonne gut zu erkennen sind. (externer Link auf die NASA-Website)

Der Sonnenwind besteht aus geladenen Teilchen (Elektronen und Protonen), die auf das Erdmagnetfeld treffen und an den Feldlinien entlang zu den Polen gelenkt werden. In den oberene Schichten der Atmosphäre regen die schnellen geladenen Teilchen die Stickstoffatome (rote und violette Farbe) und Sauerstoffatome (grüne und blaue Farbe) der Atmosphäre zum Leuchten an. Außerdem verformt der Sonnenwind das Magnetfeld der Erde. Es ist auf der Seite die zur Sonne zeigt zusammengedrückt und reicht auf der sonnenabgewandten Seite bis weit in den Weltraum.

Structure of the magnetosphere


Erklärung:
Treffen Elektronen senkrecht auf elektrische Feldlinien bewegen sie sich aufgrund der Lorentzkraft kreisförmig um die Feldlinien herum:



Treffen Elektronen schräg auf elektrische Feldlinien so bewegen sie sich auf einer Schraubenbahn um die Feldlinien herum in Richtung zu den Polen des Feldes - also zum magnetischen Nord oder Südpol der Erde:



Die Geschwindigkeit v wird in zwei Komponenten zerlegt.
vs: senkrecht zu den Feldlinien - hier bewirkt die Lorentzkraft wieder eine Kreisbahn und
vp: parallel zu den Feldlinien - darauf übt die Lorentzkraft keine Wirkung aus, es ist eine geradlinig gleichförmige Bewegung
Beide Bewegungen überlagern sich zu einer Schraubenlinie.

Wenn sich die Elektronen auf einen Pol zu bewegen nimmt die Feldstärke zu, dadurch wird die Schraubenlinie immer enger. Betrachtet man die Bahn in Erdnähe ist sie praktisch eben und kreisförmig. Weil die magnetische Flussdichte 2 Komponenten besitzt, ergeben sich auch zwei Komponenten für die Lorentzkraft (FL h und FL v). Die vertikale Komponente Bv führt zur Kreisbewegung der Elektronen und die horizontale Komponente Bh führt zu einer nach oben gerichteten Komponente der Lorentzkraft. Bevor die Elektronen den Boden erreichen, ändert sich deshalb die Richtung der Elektronen so, dass sie sich vom Boden wegbewegen und entlang der Feldlinien zum anderen Pol fliegen:

rote Linie: einfliegendes Elektron, blaue Linie: abfliegendes Elektron


An den Polen in den oberen Schichten der Atmosphäre treffen sie auf die Gasmoleküle (Stickstoff 79% und Sauerstoff 20%), die sie zum Leuchten anregen. Das geschieht durch Anregung von Elektronen auf Bahnen in den Atomen auf weiter außen liegende Bahnen in den Atomen. Dort verweilen sie nur kurz und springen wieder zurück. Bei diesem Rücksprung wird Energie in Form von Licht abgegeben (Photonen). Bei diesem Prozess verlieren die geladenen Teilchen des Sonnenwindes jeweils Energie. Deshalb wiederholt sich der Vorgang einige Male bis die Bewegungsenergie vollständig in Licht umgewandelt wurde.
Je stärker der Sonnenwind ist, desto eindrucksvoller sind die Polarlichter.
Die geladenen Teilchen des Sonnenwindes können aber auch dazu führen, dass die Elektronik von Satelliten oder Raumschiffen in der Erdumlaufbahn zerstört wird. Außerdem kann der Sonnenwind so energiereich sein, das die geladenen Teilchen wegen ihrer großen kinetischen Energie den Erdboden erreichen. Dort können starke Überspannungen in Hochspannungsleitungen auftreten, sodass die Sicherungen dieser Leitungen abschalten und Stromausfälle entstehen.

Erstellt von H.A. mit Herrn Ecker 24.10.2013

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