Turbulentes Pingpong

Heute wissen wir, dass die Ursache der Polarlichter leider nicht so einfach ist wie lange angenommen. So stammen die mit den Atmosphären-Atomen kollidierenden Teilchen beispielsweise keineswegs alle von der Sonne. Und auch das Erdmagnetfeld ist weit komplexer aufgebaut und anders geformt als bei einem Stabmagneten. Innerhalb der Magnetosphäre gibt es gleich mehrere Strahlengürtel und Plasmaschichten, die den Planeten wie gestaffelte Schutzschilde umgeben.

Der Sonnenwind verformt das irdische Magnetfeld © NASA

Nächtlicher Schweif

Wechselwirkungen mit dem Sonnenwind und der kosmischen Strahlung sorgen dafür, dass es in unserer Magnetosphäre ziemlich turbulent zugeht – und sie bringen den säuberlichen Magnetkäfig aus der Form. Das ständige, energiereiche Bombardement aus dem All führt dazu, dass das Erdmagnetfeld auf der Sonnenseite stark komprimiert wird, die Feldlinien sind dort eng zusammengedrückt. Anders dagegen auf der Nachtseite: Hier ist die Magnetosphäre zu einem Millionen Kilometer langen Plasmaschweif ausgezogen, der noch dazu heftig hin- und herflattert.

Dieser Magnetosphärenschweif ist eine der Hauptquellen für die Elektronen, die die Polarlichter auslösen. Das erklärt auch, warum die Polarlichter fast immer nachts auftreten: Die geladenen Teilchen dringen auf der Nachtseite in unseren Magnetkäfig ein. Möglich wird dies, weil durch die Turbulenzen in dieser Region immer wieder Feldlinien des irdischen Magnetfelds miteinander und mit magnetischen Relikten des interplanetaren Magnetfelds in Kontakt kommen.

Im flatternden Magnetschweif der Erde kommen immer wieder Feldlinien miteinander in Kontakt – das löst explosive Plasmaeruptionen aus. © NASA/GSFC, SWRC/CCMC/SWMF

Elektronen im Schleudergang

Dies verursacht heftige Plasmaausbrüche, bei denen energiereiche Teilchen auf mehr als drei Millionen Kilometer pro Stunde beschleunigt werden. Die ultraschnellen Teilchen schießen sowohl ins All hinaus als auch in Richtung Erde – und dort geraten sie wieder unter den Einfluss der Feldlinien. Diese zwingen sie dazu, ihnen auf einer spiraligen Flugbahn zu den Polen zu folgen.

Dort angekommen, verschwinden die Teilchen nach Kollision mit Gasatomen aber nicht einfach in der Erde. Stattdessen sorgt die Struktur des Magnetkäfigs in Polnähe dafür, dass diese Elektronen kurz über dem Erdboden abgefangen und in Gegenrichtung beschleunigt werden. Wie in einem gigantischen, unsichtbaren Pingpong-Spiel werden sie dadurch ständig zwischen den beiden Polen hin und her katapultiert – teilweise über Jahre hinweg.

Diese Simulation zeigt die Feldturbulenzen in der Magnetosphäre der Erde. © S. Kavosi/ J. Raeder/UNH

Schwingende Felder

Doch das ist noch immer nicht das ganze Bild. Denn auch der außen am Magnetkäfig vorbeiströmende Sonnenwind hat einen Anteil am Geschehen. Der Vorbeistrom der geladenen Teilchen löst komplexe elektrische Feldströmungen aus, deren Einfluss weit in die Magnetosphäre hineinreicht. Bei einem starken Sonnensturm erzeugen diese Felder gewaltige niederfrequente Wellen, die die irdischen Strahlengürtel schwingen lassen wie eine Glocke.

Den ohnehin schon um die Erde rasenden Elektronen verleihen diese schwingenden Felder zusätzlichen Schub. Gleichzeitig reißen sie durch Kollisionen neue Elektronen aus Atomen der oberen Atmosphäre heraus. Lange galten diese Elektronen nicht als energiereich genug, um Polarlichter auslösen zu können. Doch das stimmt nicht, wie Forscher am Goddard Space Flight Center der NASA herausgefunden haben. „Es zeigt sich, dass diese Sekundärelektronen ein wichtiges Puzzleteil der Erklärung sein könnten, wie, warum und wann Polarlichter in der oberen Atmosphäre ausgelöst werden“, sagt Marilia Samara.

Nadja Podbregar