Mechanismus von Theta-Polarlichtern geklärt

  • 19. December 2014

Analyse von Satellitendaten zeigen Bildung eines heißen Plasmas in hohen Breiten über magnetischer Rekonnexion.

Polarlichter lassen sich meist zwischen dem 65. und 70. Breitengrad beobachten. Wie gigantische Lichtvorhänge erhellen sie die Polarnächte, wenn geladene Teilchen des Sonnenwinds in die obere Erdatmosphäre eintreten, mit Sauerstoffatomen wechselwirken und dabei bevorzugt rotes und grünes Fluoreszenzlicht erzeugen. Doch auch in höheren Breiten lassen sich Lichtphänomene beobachten, deren Entstehung bisher nicht eindeutig geklärt werden konnte. Diese Wissenslücke stopfte nun ein internationales Forscherteam auf der Basis von Satellitenbeobachtungen.

Abb.: Theta-Polarlichter, wie dieses über dem Südpol, tragen ihren Namen aufgrund ihrer Form. (Bild: NASA / R. Fear et al.)

Abb.: Theta-Polarlichter, wie dieses über dem Südpol, tragen ihren Namen aufgrund ihrer Form. (Bild: NASA / R. Fear et al.)

Robert Fear von der University of Southampton und seine Kollegen aus Frankreich, Belgien und den USA wollten das Rätsel um die sogenannten Theta-Polarlichter lüften. Die Bezeichnung basiert auf der Ähnlichkeit des Leuchtphänomens mit dem griechischem Buchstaben Theta, bei dem ein Kreis von einer geraden Linie durchkreuzt wird. Der Nasa-Satellit Image konnte im September 2005 ein stark ausgeprägtes Theta-Polarlicht über dem Südpol beobachten.

Um die Entstehung dieses Polarlichts erklären zu können, waren jedoch Magnetfeldanalysen über die vier ESA-Cluster-Satelliten nötig, die seit gut 15 Jahren die Magnetosphäre der Erde untersuchen. „So entdeckten wir Signaturen eines energetischen Plasmas entlang der Magnetfeldlinien in hohen Breiten“, sagt Fear. Im Unterschied zu den klassischen, länglichen Polarlichtern waren diese Magnetfeldlinien aber in sich geschlossen. Direkt in die Erdatmosphäre einfallender Sonnenwind könnte daher nicht für die Lichterscheinung verantwortlich sein. Das Sonnenwind-Plasma mit seinen elektrisch geladenen Partikeln sei laut Fear in diesen Abschnitten des Magnetfelds zu kalt, um Leuchteffekte erzeugen zu können.

Abb.: Sonnenwind trifft auf Atmosphäre und Erdmagnetfeld – die Ursachen für vielfältige Polarlichter lassen sich mit Hilfe von Satelliten klären. (Bild: ESA / NASA / R. Fear et al.)

Abb.: Sonnenwind trifft auf Atmosphäre und Erdmagnetfeld – die Ursachen für vielfältige Polarlichter lassen sich mit Hilfe von Satelliten klären. (Bild: ESA / NASA / R. Fear et al.)

Dieses Problem verlangte nach einer klärenden Idee: So könnte sich das Plasma in einer großen magnetischen Falle einfangen, um sich dabei aufzuheizen. Hinweise auf diese Plasma-Falle fanden die Forscher in den Satellitendaten. Sie zeigten, dass sich die Struktur des Magnetfelds in der Region des Theta-Polarlichts über einen speziellen Prozess der magnetischen Rekonnexion änderte. Die Plasmateilchen bewegten sich dabei auf Spiralbahnen um die Feldlinien, wurden so an diese gebunden und aufgeheizt. Auf der Basis aller Daten hält es Fear für sehr wahrscheinlich, dass dieser Mechanismus einer Plasma-Falle für das Theta-Polarlicht verantwortlich war.

Wie diese Messungen zeigen, können Beobachtungen mehrerer Satelliten bisher ungeklärte Prozesse in der Magnetosphäre der Erde erklären. Damit konnten die Wissenschaftler die bisher gültigen Erklärungen zur Entstehung der Polarlichter deutlich erweitern.

Jan Oliver Löfken

DE

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