Wer nachts in der Nähe des Polarkreises zum Himmel schaut, sieht manchmal einen grünen Vorhang, der durch die Dunkelheit wabert, oft begleitet von violetten und roten Schlieren. Dieses Schauspiel, bekannt als Polarlicht oder Aurora, ist das sichtbare Ergebnis einer unsichtbaren Wechselwirkung, die ständig zwischen Sonne und Erde stattfindet. Bemerkenswert dabei: Die Quelle liegt 150 Millionen Kilometer entfernt, doch das Lichtspiel selbst findet nur 100 bis 300 Kilometer über unseren Köpfen statt.
Der Sonnenwind: Hier beginnt alles
Die Sonne schleudert kontinuierlich geladene Teilchen - vor allem Elektronen und Protonen - von ihrer Oberfläche ins All. Dieser Teilchenstrom wird Sonnenwind genannt und rast mit mehreren hundert Kilometern pro Sekunde durchs Weltall. Kommt es auf der Sonne zu einem Sonnenflare oder einem größeren Ausbruch, einem sogenannten koronalen Massenauswurf, verstärkt sich dieser Wind schlagartig und schickt weit mehr geladene Teilchen als üblich in Richtung Erde. Diese Teilchen benötigen meist ein bis drei Tage bis zur Erde - genug Vorwarnzeit für Wissenschaftler, um einen bevorstehenden Polarlicht-Sturm anzukündigen.
Der unsichtbare Schutzschild der Erde: die Magnetosphäre
Glücklicherweise erzeugt die Bewegung des geschmolzenen Eisen-Nickel-Kerns im Erdinneren ein Magnetfeld, das die Erde wie ein Schild umhüllt und die sogenannte Magnetosphäre bildet. Der Großteil des Sonnenwinds wird an diesem Schild abgelenkt und strömt am Planeten vorbei. In der Nähe der Pole ist die Magnetosphäre jedoch "durchlässiger". Zeigt das Magnetfeld des Sonnenwinds in die entgegengesetzte Richtung wie das der Erde, findet ein Energieaustausch zwischen beiden Feldern statt, und Teilchen werden entlang der Feldlinien trichterförmig zu den Polregionen geleitet.
Wie aus Energie Licht wird
Die zu den Polen geleiteten energiereichen Teilchen kollidieren in den oberen Atmosphärenschichten mit Sauerstoff- und Stickstoffatomen. Bei jedem Zusammenstoß wird ein Teil der Teilchenenergie auf das Atom übertragen, das dadurch in einen "angeregten" Zustand versetzt wird. Kurz darauf gibt das instabile Atom die überschüssige Energie als Photon - ein Lichtteilchen - ab und kehrt in seinen Grundzustand zurück. Wenn Milliarden Atome dies gleichzeitig tun, entstehen die wogenden Lichtvorhänge, die wir am Himmel sehen.
Das Geheimnis der Farben
Die Farbe eines Polarlichts hängt davon ab, mit welchem Gas die Kollision stattfindet und in welcher Höhe. Zusammenstöße mit Sauerstoffatomen in etwa 100 bis 300 Kilometern Höhe erzeugen das charakteristische Grün - zufällig genau der Farbton, für den das menschliche Auge am empfindlichsten ist. Höher oben, über 300 Kilometern, senden die dort spärlicheren Sauerstoffatome ein rötliches Licht aus. Stickstoffatome sind meist für die blauen und violetten Töne verantwortlich, die oft am unteren Rand des Polarlichts sichtbar werden.
Das Polarlicht-Oval: Wo und wann man es sieht
Polarlichter erscheinen nicht zufällig, sondern bilden ein ovales Band rund um die magnetischen Pole der Erde. Auf der Nordhalbkugel verläuft dieses Band meist über Island, Nordnorwegen, Alaska und Nordkanada; dasselbe Phänomen auf der Südhalbkugel heißt Aurora Australis und ist rund um die Antarktis zu sehen. Die besten Beobachtungsbedingungen bieten dunkle Winternächte sowie die Tagundnachtgleichen im März und September, wenn das Erdmagnetfeld statistisch günstiger zum Sonnenwind ausgerichtet ist.
Wie Polarlichter im Laufe der Geschichte gedeutet wurden
Lange bevor die Wissenschaft sie erklärte, gaben verschiedene Kulturen diesem Himmelsphänomen ihre eigene Bedeutung. In der nordischen Mythologie galt das Polarlicht als Licht, das gefallenen Kriegern den Weg nach Walhalla wies. Einige indigene Gemeinschaften Nordamerikas deuteten die Lichter als Tanz der Ahnengeister, während historische chinesische Aufzeichnungen sie als kämpfende Drachen am Himmel beschrieben. Der direkte Zusammenhang zwischen Polarlicht und Sonne wurde erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts wissenschaftlich nachgewiesen, als Messungen des Magnetfelds gemeinsam mit Sonnenfleckenbeobachtungen ausgewertet wurden.
Der 11-jährige Sonnenzyklus und die Sturmstärke
Die magnetische Aktivität der Sonne steigt und fällt in einem etwa elfjährigen Zyklus, dessen Höhepunkt als Sonnenfleckenmaximum bezeichnet wird. In diesen Phasen treten Sonnenflares und koronale Massenauswürfe häufiger auf, wodurch Polarlichter sowohl öfter als auch in ungewöhnlich niedrigen Breiten sichtbar werden. Eines der eindrucksvollsten historischen Beispiele ist das Carrington-Ereignis von 1859: Während dieses gewaltigen geomagnetischen Sturms waren Polarlichter sogar in Äquatornähe sichtbar, an Telegrafenleitungen sprangen Funken über, und manche Telegrafenstationen funktionierten seltsamerweise sogar nach der Trennung von der Stromversorgung weiter. Starke geomagnetische Stürme können auch heute noch Satellitenkommunikation, GPS-Signale und Stromnetze stören - weshalb Weltraumwetter-Zentren die Sonne ständig beobachten, um frühzeitig warnen zu können.