Was verursacht das Nordlicht?

Kurz gesagt: Die Sonne schleudert ständig geladene Teilchen in unsere Richtung. Das Magnetfeld der Erde fängt einen Teil davon ein, und dort, wo dieses Feld die Teilchen in die obere Atmosphäre lenkt, verursachen sie ein Leuchten in der Luft.

Die längere Version ist interessanter, hauptsächlich wegen der Informationen, die sie über den zeitlichen Ablauf liefert. Das Polarlicht ist keine direkte Reaktion auf etwas, das du direkt auf der Sonne beobachten kannst. Es gibt eine Verzögerung von einem oder mehreren Tagen, und das Verständnis dafür, warum, ist der Unterschied zwischen dem Lesen einer Vorhersage und dem bloßen Raten.

Die äußere Atmosphäre der Sonne ist so heiß, dass ihre eigene Gravitation sie nicht festhalten kann. Sie entweicht ständig in alle Richtungen als ein dünner Strom aus Elektronen und Protonen, die sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 400 Kilometern pro Sekunde bewegen. Das ist der Sonnenwind, und er hört nie auf.

Was variiert, ist die Geschwindigkeit und Dichte. Ein coronal hole, ein Bereich, in dem das Magnetfeld der Sonne ins Weltall austritt, anstatt sich zurückzubilden, lässt den Sonnenwind schneller entweichen, manchmal mit über 700 km/s. Ein coronal mass ejection ist anders: ein abgegrenzter Klumpen aus magnetisiertem Plasma, der bei einer Eruption ins All geschleudert wird und viel mehr Material transportiert und oft mit einer Stoßwelle ankommt.

Beide können ein Polarlicht erzeugen. Sie verhalten sich jedoch unterschiedlich genug, sodass diese Unterscheidung für jeden, der eine Reise plant, wichtig ist. Darauf gehen wir noch einmal auf der Seite zum Sonnenzyklus ein.

Das Licht einer Sonnenfackel erreicht uns in etwa acht Minuten. Die Teilchen jedoch nicht. Eine schnelle Korona-Massen-Ausstoßung überquert die 150 Millionen Kilometer bis zur Erde in etwa ein bis drei Tagen; eine langsamere Ausstoßung benötigt länger.

Deshalb funktioniert die Vorhersage von Polarlichtern überhaupt. Wir können die Ausbruchsereignisse beobachten, ihre Richtung und Geschwindigkeit messen und grob abschätzen, wann das Material ankommt, bevor es tatsächlich eintrifft. Ebenso ist es der Grund, warum die Vorhersagen oft vage bezüglich der Intensität sind: Entscheidend ist bei der Ankunft die Ausrichtung des Magnetfelds, das in diesem Plasma enthalten ist, und wir können das erst dann genau messen, wenn es die Satelliten passiert, die sich etwa 1,5 Millionen Kilometer vorgelagert sind. Das verschafft uns eine Vorwarnzeit von etwa 15 bis 60 Minuten.

Der aktuelle Stand der Dinge ist also folgendermaßen: Du bekommst Tage vorher eine Vorankündigung, dass etwas passieren wird, aber erst eine Stunde vorher erfährst du, wie gut es sein wird.

Das Magnetfeld der Erde ist nicht das ordentliche, symmetrische Gebilde, wie es in einem Lehrbuch abgebildet ist. Der Sonnenwind drückt es auf der sonnenseitigen Seite zusammen und zieht es auf der Nachtseite zu einem langen Schwanz, der sich weit über die Umlaufbahn des Mondes erstreckt.

Wenn das vom Sonnenwind mitgeführte Magnetfeld nach Süden zeigt, an der Grenzfläche also entgegengesetzt zum Erdmagnetfeld, können sich die beiden verbinden. Energie und Teilchen sammeln sich in diesem gedehnten Schweif. Die Spannung baut sich auf, dann schnappt der Schweif zurück und schleudert Teilchen entlang der Feldlinien gleichzeitig zu beiden Polen. Diese Entladung heißt Substorm, und genau den siehst du, wenn ein ruhiger Bogen plötzlich heller wird, aufbricht und sich schnell zu bewegen beginnt.

Diese Teilchen treffen Sauerstoff- und Stickstoffatome in einer Höhe von etwa 100 bis 300 Kilometern, stoßen deren Elektronen in höhere Energiezustände, und das Licht entsteht, wenn die Elektronen wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Welche Farbe dabei entsteht, hängt davon ab, um welches Atom es sich handelt und wie lange es im angeregten Zustand verbleibt. Das ist eine interessante Geschichte, die ihre eigene Seite hat.

Am 1. September 1859 beobachteten zwei englische Astronomen, Richard Carrington und Richard Hodgson, unabhängig voneinander, wie ein Bereich hellen, weißen Lichts über einer großen Sonnenfleckenregion aufleuchtete. Keiner von beiden wusste, was er da sah.

Was folgte, war der bisher intensivste geomagnetische Sturm, der aufgezeichnet wurde. Polarlichter wurden so weit südlich wie in der Karibik und in Venezuela beobachtet. Und auf den Telegrafenleitungen zwischen Boston und Portland, Maine, disconnectedtrennten die Bediener ihre Batterien komplett und tauschten etwa zwei Stunden lang Nachrichten aus, indem sie den Strom nutzten, den der Sturm in den Leitungen erzeugte. disconnected

Dieses Detail ist wichtig und sollte man sich merken. Es ist der Moment, in dem klar wurde, dass ein Ereignis auf der Sonne die Möglichkeit hat, bis zur Erdoberfläche zu wirken und Strom durch die dortigen Infrastrukturen zu leiten. Es ist ungefähr der Punkt, an dem die Wissenschaft der Weltraumwettervorhersage beginnt. Ein Sturm dieser Größenordnung, der das aktuelle Stromnetz trifft, ist ein Szenario, auf das Energieversorgungsunternehmen sich vorbereiten.

• Niemand kann zuverlässig Vorhersagen treffen, die länger als ein paar Tage im Voraus liegen. Alles, was dir eine Wahrscheinlichkeit für Polarlichter für ein Datum in drei Monaten verspricht, verkauft bestenfalls Klimatologie und schlimmstenfalls reine Erfindungen.
• Substürme sind plötzlich. Ein Himmel, der eine Stunde lang nur einen tristen Lichtbogen gezeigt hat, kann innerhalb weniger Minuten zu dem beeindruckenden Schauspiel auf den Fotos werden. Das ist das beste Argument für eine längere Tour anstelle einer kürzeren.
• Der beste Indikator, auf den du Einfluss nehmen kannst, ist die Bewölkung, weil du die Planung an das Klima anpassen kannst, während du das bei geomagnetischen Einflüssen nicht kannst. Deshalb nehmen unsere Wetterdaten den größten Teil des Platzes auf dieser Seite ein.

Die oben genannte Erklärung, dass geladene Teilchen von der Sonne magnetischen Feldlinien entlang in die polare Atmosphäre folgen, klingt heute offensichtlich. Sie wurde 1896 vom norwegischen Physiker Kristian Birkeland vorgeschlagen und wurde im Laufe des folgenden Jahrhunderts weitgehend abgelehnt.

Birkeland tat etwas Ungewöhnliches für seine Zeit: Er baute das Gerät in einem Labor. Seine terrella, wörtlich übersetzt "kleine Erde", war eine magnetisierte Kugel, die in einer Vakuumkammer aufgehängt war. Als er einen Elektronenstrahl darauf richtete, bogen sich die Elektronen in Richtung der Pole und erzeugten leuchtende Ringe um sie herum. Er fotografierte das Ergebnis, und es sieht unverkennbar wie ein Polarlichtoval aus.

Er ging auch dorthin und nahm Messungen vor. Birkeland betrieb magnetische Observatorien in der Arktis während des polaren Winters, unter Bedingungen, die Mitglieder ähnlicher Expeditionen das Leben kosteten, um die Ströme aufzuzeichnen, die während der Polarlichter auftraten.

Der Einwand kam hauptsächlich vom britischen Geophysiker Sydney Chapman, der argumentierte, dass elektrische Ströme nicht durch das Vakuum des Weltraums fließen könnten, und vorschlug, dass die Ströme stattdessen auf die Ionosphäre beschränkt seien. Chapman war einflussreich, hatte eine gute Position und lag in diesem speziellen Punkt falsch, und die Meinungsverschiedenheit dauerte Jahrzehnte. Birkeland starb 1917, ohne dass die Frage geklärt war.

Es brauchte Raumfahrzeuge, um das zu erforschen. Direkte Messungen aus der Umlaufbahn in den 1960er Jahren zeigten, dass die feldorientierten Ströme, die zwischen der Magnetosphäre und der Ionosphäre fließen, genau dort verliefen, wo Birkelands Modell sie voraussagte. Sie werden heute als Birkeland-Ströme bezeichnet, und sie sind der Grund, warum diese Seite den Mechanismus als Tatsache und nicht als Theorie beschreiben kann.

Zwei Dinge sind aus dieser Geschichte wichtig. Erstens: Das Polarlicht sah so offensichtlich wie ein Phänomen des Himmels aus, dass die Verbindung zu der Sonne, die 150 Millionen Kilometer entfernt ist, ein echter Sprung war. Zweitens: Der Streit wurde durch Messungen vor Ort gelöst, was eine gute Angewohnheit ist, und die diese Seite versucht, beizubehalten.

Die moderne Vorhersage von Polarlichtern hat zwei Perspektiven, und es ist wichtig zu wissen, welche Perspektive du betrachtest, um die meisten Verwirrungen im Zusammenhang mit Apps zu vermeiden.

Ausflüge: Wetterexperten beobachten die Sonne. Eine koronalen Massenauswurf ist sichtbar, wenn er auftritt. Seine Geschwindigkeit und Richtung können geschätzt werden, und Modelle sagen ungefähr voraus, wann er ankommen wird. So erhältst du eine Warnung mehrere Tage im Voraus, dass etwas bevorsteht. Was es dir jedoch nicht sagen kann, ist, wie stark die Auswirkungen sein werden, da dies hauptsächlich von der Ausrichtung des Magnetfelds im Inneren des Plasmas abhängt, was von hier aus nicht messbar ist.

Innerhalb einer Stunde beobachten Meteorologen selbst den Sonnenwind. Raumfahrzeuge befinden sich am L1-Punkt, etwa 1,5 Millionen Kilometer zwischen Erde und Sonne, wo sie den Wind messen, bevor er uns erreicht. DSCOVR ist heute das operative Gerät, wobei ACE weiterhin Daten liefert. Die Reisezeit von L1 zur Erde bestimmt die Vorlaufzeit: ungefähr zwischen 15 und 60 Minuten, abhängig davon, wie schnell der Wind sich bewegt.

Diese Messung liefert Daten für das Modell OVATION, das am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory entwickelt wurde und die bekannte Karte des Ovales mit der Vorhersage für 30 bis 90 Minuten erstellt. Wenn eine App dir ein farbiges Oval über dem Pol anzeigt, zeigt sie normalerweise genau das.

Also, die ehrliche Realität: Du bekommst Tage vorher eine Vorwarnung, dass etwas passieren könnte, und oft weniger als eine Stunde vorher eine Nachricht darüber, ob es tatsächlich passiert. Alles, was dir die Wahrscheinlichkeit für ein Polarlicht an einem bestimmten Tag drei Monate im Voraus vorhersagen will, ist keine Vorhersage. Es ist entweder Klimatologie, was nützlich ist und das auch sagen sollte, oder reine Erfindung.

• NOAA Space Weather Prediction Center – Hintergrundinformationen zur Polarlichteraktivität und die aktuellen Vorhersagen: Überblick über die Polarlichter, 30-Minuten-Vorhersage für Polarlichter (OVATION) und die 3-Tage-Vorhersage.
• OVATION-Modell, entwickelt am Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University, das auf Messungen des Sonnenwinds vom Punkt L1 basiert.
• Carrington-Ereignis: Der Sturm vom 1. bis 2. September 1859, der in zeitgenössischen Berichten über die Störungen im Telegraphennetz und in der modernen Literatur über Weltraumwetter dokumentiert ist.
• Kristian Birkeland: Experimente mit der Terrella ab 1901, eine Theorie über das Polarlicht ab 1896 und die feldorientierten Ströme, die später nach ihm benannt wurden und durch Messungen von Raumfahrzeugen in den 1960er Jahren bestätigt wurden.
• Met Office – Hintergrundinformationen zum Weltraumwetter und aktuelle Kommentare zum Sonnenzyklus: metoffice.gov.uk.