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
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.
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.
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.
v
s: senkrecht zu den Feldlinien - hier bewirkt die Lorentzkraft wieder eine Kreisbahn und
v
p: 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 (F
L h und F
L v).
Die vertikale Komponente B
v führt zur Kreisbewegung der Elektronen und die
horizontale Komponente B
h 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