Warum das Polarlicht grün ist (und wann es nicht grün ist)

Fast jede Erklärung der Polarlichtfarben sagt etwas wie „verschiedene Gase erzeugen verschiedene Farben“. Das stimmt, verdeckt aber die interessantere Tatsache, dass die beiden häufigsten Polarlichtfarben von demselben Element stammen.

Grün bei 557,7 Nanometern und tiefes Rot bei 630,0 Nanometern sind beide atomarer Sauerstoff. Was sie unterscheidet, ist die Zeit.

Wenn ein Teilchen aus der Magnetosphäre auf ein Sauerstoffatom trifft, schleudert es ein Elektron in einen Zustand höherer Energie. Das Atom gibt dann ein Photon ab, wenn das Elektron in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Aber das geschieht nicht sofort, und wie lange es dauert, hängt davon ab, in welchem Zustand sich das Elektron befindet.

Der Zustand, der grünes Licht erzeugt, hat eine Lebensdauer von ungefähr eine Sekunde. Der Zustand, der rotes Licht erzeugt, hat eine Lebensdauer von etwa zwei Minuten.

Zwei Minuten sind eine sehr lange Zeit für ein Atom. Dort, wo die Luft dichter ist, wird ein angeregtes Sauerstoffatom mit etwas anderem zusammenstoßen, bevor diese zwei Minuten vergangen sind. Dieser Zusammenstoß transportiert die Energie als Bewegung ab, anstatt als Licht. Die Physiker nennen das "Quenching". Das Atom war bereit, rot zu leuchten, aber etwas hat es vorher gestreift.

Eine Anzeige, die einen kräftigen roten oberen Bereich und einen grünen unteren Bereich zeigt, bedeutet, dass sich das Phänomen über mehrere hundert Kilometer in der Höhe erstreckt. Ein violetter oder rosa Rand am unteren Bereich deutet darauf hin, dass die Partikel tiefer sind als üblich, was in der Regel bedeutet, dass es sich um ein starkes Ereignis handelt.

Die Farbe gibt dir Aufschluss darüber, wo in der Atmosphäre die Energie gelandet ist. Es ist eine der wenigen Dinge, die du diagnostizieren kannst, während du einfach nur auf einem Feld stehst, ohne irgendwelche Instrumente zu benutzen.

Das ist der Teil, der die meisten Erstbesucher überrascht, und die Branche bemüht sich nicht besonders, sie vorab zu warnen.

Das menschliche Farbsehen beruht auf den Zapfen, die eine gewisse Menge Licht brauchen. Im Dunkeln schaltest du auf die Stäbchen um, die weit empfindlicher sind, aber überhaupt keine Farben unterscheiden können. Ein gewöhnliches Polarlicht, das nicht sehr hell ist, nimmst du deshalb als blassgraues oder graugrünes Band wahr. Die Farbe ist da. Deine Augen kommen nur nicht an sie heran.

Eine Kamera hat keine solchen Einschränkungen. Öffne den Verschluss für zehn Sekunden, und sie sammelt Licht, bis das Grün deutlich sichtbar ist. Deshalb sieht das Foto, das dich dazu bewogen hat, zu buchen, wahrscheinlich nicht so aus wie das, was du tatsächlich sehen wirst, es sei denn, du hast eine wirklich beeindruckende Darstellung. In diesem Fall werden die Zapfen aktiviert und die Farbe ist auch mit bloßem Auge sichtbar.

Eine kleine, zusätzliche Ironie: Das menschliche Sehvermögen erreicht seine höchste Empfindlichkeit bei etwa 555 Nanometern, was fast genau dem Wert von 557,7 nm der grünen Sauerstofflinie entspricht. Von allen Farben, die der Himmel hätte wählen können, hat er die gewählt, die wir am besten wahrnehmen können. In der Dunkelheit sind wir damit aber immer noch nicht gut.

Keines dieser Dinge ist ein Grund, nicht hinzugehen. Es ist ein Grund, mit den richtigen Erwartungen anzureisen, und das wird auf unserer Seite über was ein Smartphone aufnehmen kann ausführlich erklärt.

Im Januar 2016 begannen Mitglieder einer Facebook-Gruppe namens "Alberta Aurora Chasers", Fotos von etwas zu teilen, das sich nicht wie ein Polarlicht verhielt: ein schmaler, violett gefärbter Streifen, der sich von Osten nach Westen erstreckte, manchmal begleitet von einer grünlichen, wie ein Zaun wirkenden Struktur, und der deutlich südlich des üblichen Erscheinungsbereichs auftrat.

Sie nannten es "Steve", ein Witz, der aus dem Zeichentrickfilm Over the Hedge übernommen wurde, in dem die Charaktere etwas benennen, das sie nicht verstehen. Als Forscher der University of Calgary und der NASA das näher untersuchten, blieb der Name bestehen und wurde rückwärts abgeleitet zu Strong Thermal Emission Velocity Enhancement.

Es stellte sich heraus, dass es sich um eine subaurale Ionenströmung handelte, einen schnellen Fluss geladener Teilchen, der seit Jahrzehnten von Instrumenten gemessen wurde, aber bisher noch nie direkt beobachtet worden war. Im Gegensatz zur Aurora, die durch herabfallende Teilchen entsteht, wird diese Strömung nicht auf diese Weise erzeugt, weshalb es sich streng genommen überhaupt nicht um eine Aurora handelt.

Der Grund, diese Geschichte zu erzählen, liegt nicht in den unwichtigen Details. Es liegt darin, dass eine Gruppe von Hobbyfotografen etwas entdeckt hat, das die Fachliteratur übersehen hatte, und das in einem Himmel, den Menschen seit einem Jahrhundert fotografieren.

Neben den üblichen Erscheinungsformen gibt es einige seltene Phänomene, die so selten sind, dass die meisten Menschen sie nie bewusst sehen, und die auf Fotos oft besser aussehen, als sie in der Realität wirken.

SAR-Bögen, kurz für stabile aurorale Rotstreifen, sind breite, schwache Bänder aus reinem Rotlicht, die sich weit südlich des Hauptoval während und nach starken Stürmen zeigen. Sie entstehen nicht durch Partikel, die herabregnen: Die Energie gelangt durch Wärme, die vom Ringstrom weit entfernt in der Magnetosphäre übertragen wird. Sie sind normalerweise mit bloßem Auge nicht sichtbar und zeigen sich bei Langzeitbelichtungen als breiter roter Streifen, wo der Fotograf nichts erwartet hat.

Protonauroras entstehen durch einfallende Protonen, nicht durch Elektronen. Sie sind diffus, unstrukturiert und sehr schwach, weshalb sie selten auf Fotos zu sehen sind. Sie sind für Forscher wichtiger als für Besucher.

Der rosa oder magentafarbene Rand, der am unteren Rand eines aktiven Displays erscheint, besteht aus molekularem Stickstoff, und er benötigt Partikel, die ungewöhnlich tief eindringen. Wenn du ihn siehst, ist das ein starkes Ereignis.

Und STEVE, der weiter unten beschrieben wird und der über Jahre von Hobbyastronomen fotografiert wurde, aber von der Fachliteratur ignoriert wurde.

Das Gemeinsame ist, dass der Himmel in hohen Breitengraden gleichzeitig mehrere Dinge tut, und unsere Augen sind für kaum eines davon ausgelegt. Das ist der ehrliche Grund, warum die Fotografie in diesem Hobby so wichtig geworden ist: die Kamera beschönigt nichts, sie ist das Werkzeug.

Da die Farben in einem echten Foto oft schon unreal wirken, kursieren daneben auch einige Fälschungen, besonders im Bereich der Reiseveranstaltungsmarketing. Es gibt ein paar Anzeichen, die darauf hindeuten.

• Die Milchstraße und ein helles Polarlicht im selben, scharfen Bild. Prinzipiell möglich, und in der Praxis oft kombiniert. Der verräterische Hinweis ist, wenn beide Elemente unnatürlich scharf sind: Die optimalen Belichtungszeiten für jedes sind unterschiedlich.
• Das Polarlicht spiegelte sich in ruhigem Wasser, während im restlichen Bildbereich der Wind sichtbar war.
• Farben außerhalb der physischen Farbpalette. Grün, rot, blau, violett und ihre Mischungen sind real. Sättige orangefarbene oder gelbe Vorhänge sind es nicht.
• Ein Vollmond und eine schwache Milchstraße zusammen. Das Mondlicht überstrahlt die Milchstraße. Wenn du beides hast, brauchst du zwei Aufnahmen.
• Der gleiche Himmel über verschiedenen Landschaften – eine Auswahl von Bildern aus dem Portfolio eines Fotografen. Es lohnt sich, eine umgekehrte Bildersuche durchzuführen, wenn du ein Unternehmen aufgrund seiner Fotos auswählen möchtest.
• Der Vordergrund ist gleichmäßig beleuchtet, ohne dass eine sichtbare Lichtquelle erkennbar ist, in einer nacht, in der kein Mond scheint.

Keines davon bedeutet, dass bearbeitete Bilder unehrlich sind. Jedes ernsthafte Foto des Polarlichts wurde einer Rohdatenkonvertierung und -anpassung unterzogen, und das Grün ist tatsächlich vorhanden. Die Grenze, die es wert ist, beachtet zu werden, verläuft zwischen der Hervorhebung dessen, was der Sensor aufgezeichnet hat und der Erstellung von etwas, das nicht stattgefunden hat, und die zweite Art ist am häufigsten genau dort, wo sie den größten Schaden anrichtet: in den Angeboten, aus denen die Leute buchen.

• NOAA Space Weather Prediction Center — Tutorial zu Emissionsphysik und dem Polarlicht: swpc.noaa.gov.
• Canadian Space Agency — Eine leicht zugängliche Informationsquelle zu den Farben der Polarlichter und den Höhen, in denen sie auftreten.
• STEVE: MacDonald, E. et al. (2018), New science in plain sight: Citizen scientists lead to the discovery of optical structure in the upper atmosphere, Science Advances, doi 10.1126/sciadv.aaq0030. Die ersten Beobachtungen stammen von der Gruppe "Alberta Aurora Chasers" im Januar 2016, die mit Forschern der University of Calgary und der NASA zusammenarbeitete.
• Emissionswellenlängen: Atomarer Sauerstoff bei 557,7 nm (grün) und 630,0 nm (rot), molekularer Stickstoff für die blauen und violetten Anteile, wobei die Höhenbereiche den Standardreferenzen entsprechen.
• Menschliches Nachtsehen: Bei schwachem Licht dominieren die Stabzellen, die keine Farbunterscheidung ermöglichen. Deshalb erscheint ein schwaches Polarlicht für das Auge grau, während ein Sensor es als grün wahrnimmt.