Polarlichter
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Definition
Das Polarlicht, auch genannt Aurora Borealis (Nordlicht) oder Aurora australis (Südlicht), ist eine kosmische Lichterscheinung, die meist nördlich 60° nördlicher Breite und südlich 60° südlicher Breite in einer Höhe von 100 bis 1000 km erscheint. Polarlichter treten in Form von farbigen Bänder, Flaggen und Flammen auf.
Entstehung
Polarlichter entstehen durch elektrisch geladene Teilchen (Elektronen, Protonen und schwere Ionen), die von der Sonne mit einer Geschwindigkeit von 500 bis 833 km/s auf die oberen Schichten der Erdatmosphäre geschleudert werden, durch den sogenannten Sonnenwind.
Vom Erdmagnetfeld, das uns in unseren Breitengraden vor dem Sonnenwind schützt, wird ein elektrisch geladenes Plasma entlang der Magnetfeldlinien zu den magnetischen Polen gelenkt. Vergleichbar damit ist die Spule im Elektromotor, die ebenfalls von den Magnetwellen abgelenkt beziehungsweise angezogen und abgestoßen und so in Bewegung gesetzt wird.
An den magnetischen Polen verläuft das Magnetfeld senkrecht zur Erdoberfläche, und die elektrisch geladenen Teilchen können in die Atmosphäre eintreten. Bis zum Eintreffen benötigt das Plasma cirka 2 bis 4 Tage bei einem Erde-Sonne-Abstand von rund 150 Millionen Kilometer. Polarlichter kommen sowohl in nördlichen Breiten vor, als auch auf der Südhalbkugel. Auch auf anderen Planeten des Sonnensystems werden diese Erscheinungen beobachtet. Voraussetzung hierfür ist, dass der Planet ein eigenes Magnetfeld und eine Atmosphäre besitzt.
Fluoreszenz
Fluoreszenz ist eine Absonderung von Licht innerhalb eines kurzen Zeitraums. Dieses Licht entsteht beim Übergang von einem energie angeregten Zustand in einen energie niedrigen Zustand.
Bei den Polarlichtern findet dieser Prozess statt:
Die elktrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes fügen den Luftmolekülen Energie zu. Sobald sich die Moleküle wieder abregen wird Licht freigesetzt.
Helmholtzspulenpaar
Versuch
Versuchsaufbau
Das Helmholtzspulenpaar sind die beiden Spulen, um die der Kupferdrath gewickelt ist. Zwischen den beiden Spulen befindet sich eine Galskugel, die mit Wasserstoff gefüllt ist.
Durchführung
Man schließt den Aufbau an die Messgeräte und stellt den Strom an. Die eine Batterie versorgt die Glaskugel, die andere das Spulenpaar mit Strom. Der Raum, in dem man das Experiment durchführt, sollte abgedunkelt sein, damit man besser beobachten kann, was passiert.
Beobachtung
Die Batterie, die die Glaskugel mit Strom versorgt, erzeugt einen blauen Elektronenstrahl, der senktrrecht nach oben zeigt. Nachdem auch die beiden Spulen an den Strom angeschlossen wurden, verändert sich der Lauf des Strahles, wie man unten im Bild sehen kann. Wenn man die Glaskugel nach links oder rechts dreht, kann man deutlich sehen, dass aus dem blauen Elektronenstrahl Spiralen werden. Je nachdem wie der Winkel ist, werden die Spiralen größer oder kleiner.
Erklärung
Durch die Bündelung und Geschwindigkeit der Elektronen entsteht ein blauer Elektronenstrahl. Dieser leuchtet blau aufgrund der Fluoreszenz. Wenn durch die Helmholtzspulen Strom fließt, werden sie magnetisch und induzieren ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld entspricht dem der Erde.
Die Elektronen werden senkrecht in das Magnetfeld geschossen, so wie der Sonnenwind zur Erde fliegt. Da das Magnetfeld seine Kraft nach unten ausübt und die Elektronen dieser Kraft folgen, werden sie abgeleitet.
Durch die Geschwindigkeit mit der die Elektronen in das Magnetfeld geschossen werden verläuft der Strahl nicht direkt senkrecht der Kraft entlang, sondern fliegt weiter und wird immer mehr nach unten gezogen.
Die Elektronen versuchen aber senkrecht zu der Kraft im Magnetfeld zu bleiben. Dadurch entsteht ein kreisförmiger Strahl.
Sobald die Kugel gedreht wird, ist die Bahn der Elektronen nicht mehr senkrecht zum Magnetfeld, der Winkel hat sich geändert. Die Elektronen können nur senkrecht oder wagerecht zu der Kraft verlaufen. Durch die Drehung der Kugel werden die Elektronen nun schräg eingeschossen.
Die Elektronen versuchen aber senkrecht oder wagerechtzu der Kraft im Magnetfeld zu bleiben. Ein Teil der Elektronen fliegt weiter gerade aus und bleibt so senkrecht zum Magnetfeld. Der andere Teil der Elektronen folgt der Kraft nach unten und ist so wagerecht. Die Spaltung des Elektronenstrahl sieht man nicht. Man sieht wieder den kompletten Strahl,der sich zu einer Spirale dreht.
Deshalb wird aus dem Lichtkreis beim Drehen der Kugel Spiralen.
Häufigkeit
Die Häufigkeit der Polarlichterscheinungen in Mitteleuropa ist abhängig von der Sonnenaktivität. Durch den Sonnenflckenzyklus ( der Aktivitätszyklus der Sonne) schwankt die Häufigkeit der Polarlichter. Während des Aktivitätsmaximums ( zuletzt 2000/2001 ) finden die Eruptionen auf der Sonne besonders häufig statt, wodurch große kolunare Massenauswürfe ausgeschleudert werden. Diese Auswürfe sind wesentlich für Polarlichter in Mitteleuropa. Während des Aktivitätsmaximums die Häufigkeit der Polarlichter steigt, sinkt sie in den frühen und späten Phasen des Sonnenzyklus, da er sich da nahe am solaren Minimum befindet und deshalb nur wenige Eruptionen auftreten.
Durchschnittlich treten pro Jahr 10-20 der Leuchterscheinungen auf. Meistens können sie am Nordhimmel beobachtet werden, sind aber bei besonders starkem Sonnenwind auch am Südhimmel zu sehen.
In Deutschland kann man Polarlichter fast nur während des Aktivitätsmaximums der Sonne sehen, da die Häufogkeit mit zunehmender Distanz zu den Polen abnimmt.
Vorhersage
Polarlichter können durch die Beobachtung der Sonne und des Sonnenwindes vorhergesagt werden. Die Polarlichter können 2-4 Tage nach einer starken Sonneneruption beobachtet werden, so lange braucht der Sonnenwind bis zur Erde.
Aufgrund von Statistiken wird oft davon ausgegangen, dass Polarlichter hauptsächlich im Herbst, Anfang und Ende Winter und Frühling auftreten. Dafür könnte zum Beispiel das die dann besonders günstige Stellung des Magnetfelds der Erde zu dem der Sonne.
Wahrscheinlicher ist aber, dass Polarlichter dann nur wegen dem Wetter besonders häufig zu beobachten sind.
In den kalten Winternächten sowie in warmen Sommernächten treten kaum Polarlichter auf, dann herrscht im Norden zum Beispiel Mitternachtssonne und verhindert die Beobachtung von Polarlichtern.
Einfluss auf technische Einrichtungen
Die von den elektrisch geladenene Teilchen des Sonnenwindes (Entstehung der Polarlichter) erzeugten elektromagnetischen Felder können schädliche Auswirkungen auf elektrische/technische Einrichtungen haben. Besonders gefährdetsind Satelliten z.B. Telekommunikationssatelliten, Überlandstromversorgungsnetze und Flugzeuge. Zu Zeiten erhöhter Polarlichteraktivität wird der Flugverkehr zur Sicherheit näher an den Äquator oder in geringere Höhen gelenkt. Bei den Stromnetzen kann es durch Induktion zu Spannungsschwankungen kommen, so wurde z.B der Stromausfall in Kanada 1989 durch einen starken Sonnenwind ausgelöst. Während des Auftretens von Polarlichtern werden Funkwellen an den ionisierten Bereichen der Athmosphäre reflektiert. Manche Funkamateure nutzen dies im Amateurfunkdienst um die Reichweite der Signale zu erhöhen, allerdings sind diese reflektierten Signale stark verbrummt und stören den Funkverkehr auch häufig.
Geschichte
Schon im Altertum waren Polarlichter bekannt und spielten eine Rolle in vielen Kulturen und Religionen.
Besonders in der nordischen Mythologie, bei den Indianern, Eskimos und bei den Sibiriern wurde es oft mit den Göttern in Verbindung gebracht.
So interpretierte man die Leuchterscheinungen zum Beispiel als Zeichen von Geistern, als Kampf der Götter oder als Mitteilung an die Menschen.
Die Wikinger glaubten sogar, bei den Polarlichterm handele es sich um die Walküren, die die Kriegshelden für Odins Tafel auswählten. Das Licht, das sich auf den Rüstungen spiegelte, verursachte dann die Leuchterscheinungen.
Während des Mittelalter wurden viele Deutungsversuche unternommen, da man glaubte durch die Polarlichter auf bevorstehende Kriege, Hungernöte, Seuchen und andere Katastrophen schließen zu können, oder auf einfache Ding wie zum Beispiel das Wetter.
Deshalb bezeichnte man das Nordlicht in Norwegen als 'Windlicht', man glaubte es kündigte einen Sturm an.
Erste Forschungen nach der wissenschaftlichen Erklärung für Polarlichter fanden im 18. Jahrhundert statt. Allerdings dachten die Forscher zuerst, die Polarlichter seien eine Reflexion des Sonnenlichts an Wolken und Eiskristallen.
Erst Edmond Halley erkannte den Zusammenhang zwischen dem Erdmagnetfeld und den Polarlichtern, und 1867 fand Anders Jonas Angsträm dann heraus, dass Polarlichter aus selbstleuchtenden Gasen bestand.
