Blaues Polarlicht gibt Rätsel auf

Mysteriöses Leuchten: Der Sonnensturm im Mai 2024 hat eine neuartige Form des Polarlichts verursacht – diese Aurora leuchtete blau statt wie sonst üblich rot oder grün. Eine solche Lichtemission ist ungewöhnlich und nur schwer mit gängigen Prozessen zu erklären, wie Forscher berichten. Denn typischerweise entstehen die Auroren bei solchen Sonnenstürmen durch angeregte Sauerstoffatome. Die blaue Färbung geht jedoch auf Stickstoff zurück – wie, ist jedoch noch ein Rätsel.

Ob grünliche Schlieren, silbriges Schimmern oder blutrotes Leuchten: Polarlichter sind ein faszinierendes Phänomen der Natur. Sie entstehen, wenn energiereiche geladene Teilchen von der Sonne auf das Erdmagnetfeld und die obere Erdatmosphäre treffen. Meist haben die Auroren grüne und rötliche Farbtöne, die durch die Lichtemission angeregter Sauerstoffatome entstehen. Wenn Polarlichter bei starken Sonnenstürmen bis in unsere Breiten hinein auftreten, erscheinen sie meist rötlich.

Blaues Leuchten über Japan

Doch beim starken Sonnensturm im Mai 2024 zeigte sich über Japan eine ungewöhnliche Polarlicht-Erscheinung: Über der Insel Honshu waren violette und blaue Auroren zu sehen, wie zahlreiche Amateuraufnahmen demonstrierten. Das Erstaunliche daran: Bläuliches Leuchten wird von Stickstoffatomen verursacht, die für ihre Anregung jedoch viel Energie benötigen. Stickstoff-Auroren sind daher extrem selten.

Bläuliche Leuchterscheinungen wurden bisher nur kurz nach Sonnenuntergang und in großer Höhe beobachtet. „Sie treten auf, wenn die Erdoberfläche schon dunkel ist, aber die Ionosphäre noch von der Sonne angestrahlt wird“, erklären Sota Nanjo von der Universität für elektrische Kommunikation in Tokio und Kazuo Shiokawa von der Universität Nagoya. „Aber in diesem Falle traten die blauen Auroren gegen Mitternacht auf.“

Um die Physik hinter diesen ungewöhnlichen Polarlichtern zu klären, haben die Forscher Amateuraufnahmen des Phänomens ausgewertet, die von zwei Orten in Japan aus gemacht wurden. Die Fotos und deren verschiedene Blickwinkel ermöglichten es, Struktur, Lage und Höhe der blauen Auroren genauer zu bestimmen.

Höhe und Form passt nicht zur ionosphärischen Streuung

Die Analysen enthüllten: Die von blauem Licht dominierte Aurora reichte von 400 bis in mindestens 900 Kilometer Höhe. Damit scheidet das ionosphärische Leuchten als Ursache aus, denn dieses dürfte nicht so weit hinunter reichen. „Die blauen Emissionen wurden mehr als 150 Kilometer unterhalb der atmosphärischen Schattenhöhe beobachtet“, berichten die Forscher. „Sie können daher nicht in Gänze auf die resonante Streuung zurückgehen.“

Hinzu kommt: Das Polarlicht zeigte eine deutliche Kante und interne Strukturen, die sich über mehrere hundert Kilometer in Richtung der geografischen Länge erstreckten. „Dies ist das erste Mal, dass eine blau-dominante Aurora in dieser Form und mit solchen longitudinalen und am Magnetfeld ausgerichteten Strukturen beobachtet wurde“, schreiben die Forscher.

Wie wurde der Stickstoff zum Leuchten gebracht?

Zusammengenommen ist das blaue Polarlicht damit in zweifacher Hinsicht schwer zu erklären. Zum einen ist unklar, wie der Sonnensturm die dafür nötigen Stickstoffmoleküle angeregt hat. „Denn diese Ionen bleiben wegen ihres hohen molekularen Gewichts und ihrer schnellen Rekombination zu Molekülen nur kurze Zeit erhalten“, erklärt Shiokawa. Dennoch scheinen beim blauen Polarlicht genügend davon angeregt worden zu sein.

Zum anderen widersprechen die Merkmale der blauen Aurora auch einem bisher favorisierten Erklärungsmodell für die Polarlichter der gemäßigten Breiten. Diese sollen demnach durch die um die Erde verlaufende Ringströmung schneller, neutraler Teilchen entstehen. „Die Ausdehnung der blauen Aurora ist aber schwer mit diesen Teilchen zu erklären. Außerdem ist es unwahrscheinlich, dass sie ein Polarlicht erzeugt, das den magnetischen Feldlinien folgt“, erklärt Shiokawa.

Welcher Mechanismus hinter der blauen Aurora steckt, ist daher ungeklärt. „Der Prozess ist ein echtes Rätsel“, so Shiokawa. Er und sein Kollege vermuten, dass es einen noch unbekannten Mechanismus in der Erdatmosphäre gibt, durch den Stickstoffatome in ungewöhnlich große Höhe katapultiert und dann angeregt werden. Aber auch das ist bisher nur eine Spekulation. (Earth Planets and Space, 2024; doi: 10.1186/s40623-024-02090-9)

Quelle: Nagoya University