Wie entstehen Polarlichter – und warum leuchten sie grün oder rot?

Ein grüner Bogen zieht sich über den Nachthimmel, darüber liegt ein schwaches rotes Leuchten. Was wie ein beleuchteter Schleier aussieht, ist Licht aus unserer eigenen Atmosphäre: Energiereiche Teilchen, vor allem Elektronen, regen hoch oben Sauerstoff und Stickstoff an. Wenn die angeregten Atome und Moleküle Energie wieder abgeben, entsteht Polarlicht.

Die Sonne liefert die Energie für diesen Vorgang. Welche Farbe wir sehen, hängt aber nicht von der Farbe der Sonne ab, sondern von den beteiligten Gasen, ihrem Energiezustand und der Höhe. Deshalb kann sogar dasselbe Element sowohl grünes als auch rotes Licht erzeugen.

Von der Sonne zum Leuchten: vier Schritte

Zwischen Sonnenaktivität und sichtbarem Licht liegt mehr als ein direkter Teilchenflug zur Erde. Eine hilfreiche Reihenfolge ist:

1. Die Sonne gibt einen Teilchenstrom ab. Der Sonnenwind besteht aus elektrisch geladenen Teilchen und trägt ein Magnetfeld mit sich. Er ist kein Wind aus Luft wie bei uns am Boden.
2. Der Sonnenwind wechselwirkt mit der Magnetosphäre. So heißt der von unserem Magnetfeld geprägte Raum um die Erde. Dabei kann Energie in dieses System übertragen, gespeichert und später wieder freigesetzt werden.
3. Elektronen werden beschleunigt. Sie bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien in Richtung der oberen Atmosphäre. Die Feldlinien beschreiben dabei die Struktur des Magnetfelds; es sind keine sichtbaren Drähte am Himmel.
4. Atmosphärische Gase geben Licht ab. Bei Zusammenstößen übertragen die Elektronen Energie auf Atome und Moleküle. Diese werden „angeregt“, also in einen höheren Energiezustand versetzt. Beim Übergang zu einem niedrigeren Zustand senden sie Licht aus (NOAA: Aurora).

Die wichtigste Trennung lautet: Die Energie kommt letztlich von der Sonne, das leuchtende Material gehört zur Erdatmosphäre. Ein Polarlicht ist weder brennende Luft noch eine farbige Wolke, die von der Sonne herüberzieht.

Warum Polarlichter vor allem in polaren Regionen auftreten

Das Erdmagnetfeld führt die Elektronen so, dass sich die Leuchterscheinungen häufig in zwei ringförmigen Gebieten um die magnetischen Pole konzentrieren. Diese Gebiete heißen Polarlichtovale. Auf der Nordhalbkugel sprechen wir von Nordlicht oder Aurora borealis, auf der Südhalbkugel von Südlicht oder Aurora australis.

Stell dir also keine kleine leuchtende Kappe genau über jedem geografischen Pol vor. Ein Oval umfasst ein größeres Gebiet und verändert sich mit der geomagnetischen Aktivität. Bei starken geomagnetischen Stürmen kann es sich in Richtung niedrigerer Breiten ausdehnen. Dann sind Polarlichter auch deutlich weiter von den Polarregionen entfernt möglich (NOAA).

Geografische Polarkreise und Polarlichtovale beschreiben unterschiedliche Dinge: Die Polarkreise ergeben sich aus der Neigung der Erdachse und den Sonnenverhältnissen. Die Lage der Polarlichtovale hängt mit dem Magnetfeld zusammen. Eine Linie bei rund 66,5 Grad Breite ist deshalb keine feste Sichtbarkeitsgrenze für Nord- oder Südlichter.

Welche Gase erzeugen welche Farben?

Eine häufige Fehlannahme lautet: Grün müsse von einem Gas stammen und Rot zwangsläufig von einem anderen. Tatsächlich kann atomarer Sauerstoff beide Farben aussenden. Er besitzt unterschiedliche angeregte Zustände, aus denen verschiedene Lichtemissionen entstehen.

Das sind typische Zusammenhänge, keine scharf getrennten Farbetagen. Die NASA beschreibt diese Farbvielfalt als Ergebnis des Gases, der Höhe und der beteiligten Teilchenenergie (NASA: Auroras).

Auch auf einem Foto können mehrere Emissionen in derselben Blickrichtung zusammenkommen. Ein violetter Eindruck ist deshalb nicht automatisch ein eindeutiger Messwert für eine bestimmte Höhe oder die Stärke eines Sonnensturms.

Warum rotes Sauerstofflicht meist weiter oben entsteht

Für die Farbe zählt nicht nur, ob ein Atom Energie erhält. Entscheidend ist auch, ob es genug Zeit hat, diese Energie als Licht abzugeben.

Der für das rote Sauerstofflicht verantwortliche angeregte Zustand bleibt vergleichsweise lange bestehen. In dichterer Luft können weitere Zusammenstöße die Energie abführen, bevor das rote Licht ausgesendet wird. In sehr dünner Luft, weiter oben, sind solche Stöße seltener. Dort hat die rote Emission bessere Bedingungen. Die grüne Sauerstoffemission erfolgt schneller und kann deshalb in tieferen Bereichen deutlich hervortreten (NPS: The Colors of the Aurora).

Eine anschauliche Merkhilfe ist: Dasselbe Element kann auf verschiedene Weise leuchten – und die Luftdichte entscheidet mit, welche davon sichtbar wird. „Rot bedeutet mehr Energie als Grün“ wäre als pauschale Erklärung falsch.

Woher kommen Bögen, Strahlen und Vorhänge?

Polarlichter sind keine starren Lampen am Himmel. Die Verteilung der einfallenden Elektronen und die Prozesse in der Magnetosphäre ändern sich. So entstehen Bögen, schmale Strahlen, Falten und bewegte Vorhänge. Die Ausrichtung vieler Strukturen hängt mit dem Magnetfeld zusammen.

Dabei leuchtet die Atmosphäre weit oberhalb der gewöhnlichen Wetterwolken. Die NOAA nennt für Polarlichter einen typischen Gesamtbereich von etwa 80 bis 500 Kilometern Höhe. Ein dunkles Wolkenband kann daher vor dem Polarlicht liegen und es verdecken, obwohl das Leuchten darüber weiter besteht.

Entstehung und Sichtbarkeit sind zwei verschiedene Fragen

Ein Polarlicht kann entstehen, ohne dass es an deinem Standort sichtbar ist. Für eine sinnvolle Beobachtung trenne drei Prüfungen:

1. Weltraumwetter: Gibt es für deine Region einen Hinweis auf erhöhte Aurora-Aktivität? Nutze dafür einen Fachdienst wie das NOAA Space Weather Prediction Center, nicht allein ein farbiges Foto aus einer anderen Region.
2. Himmelsbedingungen: Ist es dunkel und ausreichend wolkenfrei? Tageslicht kann das schwache Leuchten überstrahlen. Die langen Winternächte erleichtern die Beobachtung in hohen Breiten; Kälte selbst ist nicht die Ursache des Polarlichts.
3. Eigene Beobachtung: Notiere Ort, Uhrzeit, Blickrichtung, Form und Farbe. Unterscheide, was du mit bloßem Auge gesehen hast, von dem, was erst auf einer Kameraaufnahme hervortritt. Kameras können schwache Auroren sichtbar machen, die dem Auge entgehen (NASA).

Der letzte Punkt schützt vor falschen Erwartungen: Ein kräftig grünes Bild verspricht nicht, dass jede Beobachtung vor Ort ebenso farbig wirkt. Und eine günstige Vorhersage ersetzt weder freien Himmel noch eine tatsächliche Sichtung.

Die Polarregionen auf dem Globus einordnen

Mit LiveGlobe 3D kannst du die Erde drehen und zoomen, Orte suchen und die geografischen Polarkreise zuschalten. Vergleiche zum Beispiel die Lage Nordskandinaviens mit Mitteleuropa und halte dabei die Unterscheidung fest: Ein geografischer Polarkreis ist kein Polarlichtoval. Für den Web-Zugang ist eine Anmeldung vorgesehen; die Ortsuche benötigt externe Dienste.

Wenn dich auch die alltäglichen Himmelsfarben interessieren, erklärt Warum ist der Himmel blau und der Sonnenuntergang oft rot? einen anderen Mechanismus: Dort wird vorhandenes Sonnenlicht gestreut. Beim Polarlicht senden angeregte Gase selbst Licht aus.

Erkunde die Polarregionen mit LiveGlobe 3D und behalte als roten Faden diese Kette im Kopf: Sonne → Magnetosphäre → energiereiche Elektronen → angeregte Luft → Licht.