Rätsel der Nordlichter

Warum haben Polarlichter meist rötlich und grüne Farbtöne?

Ein Sonnensturm sorgt für Polarlichter über Deutschland. Er ist so stark, dass das Lichtspektakel vom Norden bis zu den Alpen zu sehen ist. Doch wie kommt es eigentlich zu den verschiedenen Farbtönen bei Nordlichtern?

Von Markus Brauer

Über vielen Teilen Deutschlands haben Polarlichter den Himmel erleuchtet. Verantwortlich dafür sei ein geomagnetischer Sonnensturm, hat der Deutsche Wetterdienst (DWD) in Offenbach mitgeteilt. Wegen der Stärke des Sonnensturms seien die Lichter in der Nacht bis zu den Alpen zu sehen gewesen.

Eruptionswolke der Sonne erreichte die Erde in nur 25 Stunden

„Wir hatten eine stärkere Eruption der Sonne und die ist jetzt bei uns angekommen“, sagt Markus Bayer, Meteorologe beim DWD. Durch die Eruption flogen Teilchen von der Sonne in Richtung Erde.

Sie werden bei Sonnenstürmen vom Erdmagnetfeld in Richtung Pole gelenkt und dringen in die Erdatmosphäre ein, heißt es auf der Webseite des DWD dazu. „In den oberen Schichten der Atmosphäre treffen die geladenen Teilchen auf Luftmoleküle und regen diese zum Leuchten an.“

Zweithöchste Stufe G4

Der geomagnetische Sturm erreichte Montagabend (19. Januar) die zweithöchste Stufe G4, wie die US-Atmosphärenbehörde Noaa berichtet. Möglich seien bei dieser Stärke unter anderem Auswirkungen auf Satelliten. So könne auch das GPS-System ausfallen.

Die Eruptionswolke der Sonne habe die Strecke zwischen Sonne und Erde in nur etwa 25 Stunden bewältigt, heißt es auf der Astronomie-Plattform „Spaceweather“. Das sei extrem schnell. Normalerweise benötige eine solche Wolke für diese Strecke drei bis vier Tage.

Symphonie der Farben

Ob grünliche Schlieren, silbriges Schimmern oder blutrotes Leuchten: Polarlichter sind ein faszinierendes Phänomen der Natur, gleich einer Symphonie der Farben.

Der wissenschaftliche Name für Nordlichter auf der Nordhalbkugel ist Aurora borealis, für Südlichter auf der Südhalbkugel Aurora australis. Polarlichter sind meist in zwei drei bis sechs Breitengraden umfassenden Bändern in der Nähe der Magnetpole zu sehen.

Wie entstehen Polarlichter?

Ursache für das Auftreten von Polarlichtern sind Sonneneruptionen, bei denen es zu einem koronalen Massenauswurf Richtung Erde kommt, der aus Elektronen, Protonen und Atomkernen besteht. Weil Bestandteile dieses Plasmas elektrisch geladen sind, wechselwirken sie mit dem Erdmagnetfeld und stauchen es quasi zusammen.

Durch magnetische Kurzschlüsse im Schweif des Erdmagnetfeldes werden Teilchenströme aus Stickstoff- und Sauerstoffatome der Atmosphäre in den Polarregionen erzeugt, welche die Luftteilchen zum Leuchten anregen, was als Polarlicht sichtbar wird.

Meist grüne und rötliche Farbtöne

Meist haben die Auroren grüne und rötliche Farbtöne, die durch die komplexe Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der oberen Erdatmosphäre. Dadurch werden Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle der Luft energetisch angeregt und geben diese Energie anschließend als Licht ab – eine Aurora entsteht.

Typisch für sie ist eine relativ enge spektrale Bandbreite, durch die das Polarlicht farbig erscheint. Wenn Polarlichter bei starken Sonnenstürmen bis in unsere Breiten hinein auftreten, erscheinen sie meist rötlich.

Rätsel um weiße Lichtflecken

Es gibt jedoch eine Leuchterscheinung, die zwar mit Auroren gemeinsam auftritt, aber anders aussieht. „Man sieht die normale grüne Aurora, im Hintergrund vielleicht noch ein wenig rötliches Polarlicht. Dann erscheint plötzlich diese strukturierte, fast einem Fleck ähnelnde weißliche oder gräuliche Emission“, erklärt Emma Spanswick von der University of Calgary das Phänomen. Die weißliche Farbe dieses Leuchtens deutet darauf hin, dass es aus Licht nahezu aller Wellenlängen besteht. Es ist eine sogenannte Kontinuum-Emission.

Die grau-weißen Lichtflecken können sich über Dutzende bis hunderte Kilometer erstrecken und verschiedenste Formen haben: von langgestreckten Fäden und Bögen bis zu kompakteren Flecken. Die Flecken erscheinen zudem fast immer in unmittelbarer Nähe von starken Polarlichtern oder leuchten direkt an den Stellen, an denen es vorher eine typisch grüne Aurora gab, wie die Forscher berichten.

Als Ursache der rätselhaften weißen Lichtflecken vermutet Spanswick chemische Reaktionen von Stickstoffdioxid, die Energie in Form von Photonen abgeben. Diese sogenannte Chemolumineszenz füllt dann die Lücken im Spektrum, die bei Polarlichtern und Airglow freibleiben. Dieses weißliche Leuchtphänomen tritt allerdings nur dann auf, wenn starke Polarlichter präsent sind, welche die nötige Energie liefern.

Woher kommt blaues Polarlicht?

Bei einem starken Sonnensturm im Mai 2024 zeigte sich über Japan eine ungewöhnliche Polarlicht-Erscheinung: Über der Insel Honshu waren violette und blaue Auroren zu sehen. Das Erstaunliche daran: Bläuliches Leuchten wird von Stickstoffatomen verursacht, die für ihre Anregung jedoch viel Energie benötigen. Stickstoff-Auroren sind daher extrem selten.

Bläuliche Leuchterscheinungen wurden bisher nur kurz nach Sonnenuntergang und in großer Höhe beobachtet. „Sie treten auf, wenn die Erdoberfläche schon dunkel ist, aber die Ionosphäre noch von der Sonne angestrahlt wird“, erklären Sota Nanjo von der Universität für elektrische Kommunikation in Tokio und Kazuo Shiokawa von der Universität Nagoya. „Aber in diesem Falle traten die blauen Auroren gegen Mitternacht auf.“

 Wie wird der Stickstoff zum blauen Leuchten gebracht?

Blaue Polarlichter sind in zweierlei Hinsicht schwer zu erklären:

Zum einen ist unklar, wie der Sonnensturm die dafür nötigen Stickstoffmoleküle angeregt hat. „Denn diese Ionen bleiben wegen ihres hohen molekularen Gewichts und ihrer schnellen Rekombination zu Molekülen nur kurze Zeit erhalten“, erklärt Shiokawa. Dennoch scheinen beim blauen Polarlicht genügend davon angeregt worden zu sein.

um anderen widersprechen die Merkmale der blauen Aurora auch einem bisher favorisierten Erklärungsmodell für die Polarlichter der gemäßigten Breiten. Diese sollen demnach durch die um die Erde verlaufende Ringströmung schneller, neutraler Teilchen entstehen. „Die Ausdehnung der blauen Aurora ist aber schwer mit diesen Teilchen zu erklären. Außerdem ist es unwahrscheinlich, dass sie ein Polarlicht erzeugt, das den magnetischen Feldlinien folgt“, erläutert Shiokawa.

Welcher Mechanismus hinter der blauen Aurora steckt, ist daher ungeklärt. „Der Prozess ist ein echtes Rätsel“, resümiert Shiokawa. Er vermutet, dass es einen noch unbekannten Mechanismus in der Erdatmosphäre gibt, durch den Stickstoffatome in ungewöhnlich große Höhe katapultiert und dann angeregt werden (mit dpa/AFP-Agenturmaterial).