Warum Polarlichter grün, rot und magentafarben leuchten

Vergangene Woche schleuderte eine gewaltige Sonneneruption eine Welle energiereicher Teilchen von der Sonne ins All. Am Wochenende erreichte diese Welle die Erde, und Menschen rund um den Globus konnten auf beiden Hemisphären ungewöhnlich leuchtstarke Polarlichter beobachten.

Normalerweise sind Polarlichter nur in Polnähe zu sehen. Dieses Wochenende wurden sie auf der Nordhalbkugel jedoch bis nach Hawaii und auf der Südhalbkugel bis nach Mackay gesichtet.

Dieser spektakuläre Anstieg der Polarlichtaktivität scheint nun vorbei zu sein. Wer das Ereignis verpasst hat, muss sich aber keine Sorgen machen: Die Sonne nähert sich dem Höhepunkt ihres elfjährigen Sonnenfleckenzyklus, weshalb in den kommenden rund zwölf Monaten wahrscheinlich wieder Phasen mit besonders intensiven Polarlichtern auftreten werden.

Wer die Polarlichter selbst oder Fotos davon gesehen hat, fragt sich vielleicht, was dabei genau geschieht. Wodurch entsteht das Leuchten, und warum zeigt es unterschiedliche Farben? Die Erklärung liegt in Atomen, ihrer Anregung – und darin, wie sie wieder in einen energieärmeren Zustand zurückkehren.

Wenn Elektronen auf die Atmosphäre treffen

Polarlichter entstehen, wenn geladene subatomare Teilchen – überwiegend Elektronen – mit der Erdatmosphäre zusammenstossen. Diese Teilchen werden ständig von der Sonne ausgestossen, bei höherer Sonnenaktivität nimmt ihre Menge jedoch zu.

Das Magnetfeld der Erde schirmt den grössten Teil der Atmosphäre gegen den Zustrom geladener Teilchen ab. In Polnähe können sie jedoch eindringen und dort beträchtliche Auswirkungen haben.

Die Erdatmosphäre besteht zu etwa 20 % aus Sauerstoff und zu 80 % aus Stickstoff. Dazu kommen geringe Mengen anderer Stoffe, etwa Wasser, Kohlendioxid (0,04 %) und Argon.

Treffen schnelle Elektronen in der oberen Atmosphäre auf Sauerstoffmoleküle, zerlegen sie diese (O₂) in einzelne Atome. Auch die ultraviolette Strahlung der Sonne bewirkt das. Die dabei gebildeten Sauerstoffatome können mit O₂-Molekülen reagieren und Ozon (O₃) erzeugen – jenes Molekül, das uns vor schädlicher UV-Strahlung schützt.

Bei Polarlichtern befinden sich die erzeugten Sauerstoffatome allerdings in einem angeregten Zustand. Das bedeutet, dass ihre Elektronen instabil angeordnet sind und sich durch die Abgabe von Energie als Licht wieder „entspannen“ können.

Was erzeugt das grüne Polarlicht?

Wie bei einem Feuerwerk zu beobachten ist, senden Atome verschiedener Elemente unterschiedliche Lichtfarben aus, wenn sie mit Energie angeregt werden.

Kupferatome erzeugen blaues Licht, Barium leuchtet grün, und Natriumatome geben ein gelb-oranges Licht ab, das man auch von älteren Strassenlampen kennen könnte. Nach den Regeln der Quantenmechanik sind diese Emissionen „erlaubt“, weshalb sie sehr rasch stattfinden.

Ein Natriumatom verbleibt im angeregten Zustand nur etwa 17 Milliardstel einer Sekunde, bevor es ein gelb-oranges Photon aussendet.

Bei Polarlichtern entstehen jedoch viele Sauerstoffatome in angeregten Zuständen, aus denen sie auf keine „erlaubte“ Weise unter Lichtaussendung zurückkehren können. Die Natur findet dennoch einen Weg.

Das für Polarlichter typische grüne Licht wird ausgesendet, wenn Sauerstoffatome von einem Zustand namens „¹S“ in einen Zustand namens „¹D“ übergehen. Dieser Vorgang ist vergleichsweise langsam und dauert im Mittel fast eine ganze Sekunde.

Tatsächlich läuft dieser Übergang bei dem Luftdruck am Boden normalerweise nicht ab. Das angeregte Atom verliert seine Energie dort durch einen Zusammenstoss mit einem anderen Atom, bevor es ein schönes grünes Photon aussenden kann.

In den hohen Schichten der Atmosphäre ist der Luftdruck hingegen geringer und es gibt weniger Sauerstoffmoleküle. Dadurch bleibt mehr Zeit bis zum nächsten Zusammenstoss, sodass die Atome ein Photon freisetzen können.

Deshalb brauchten Forschende lange, um zu erkennen, dass das grüne Licht der Polarlichter von Sauerstoffatomen stammt. Das gelb-orange Leuchten von Natrium war bereits in den 1860er-Jahren bekannt, doch erst in den 1920er-Jahren stellten kanadische Forschende fest, dass das Polarlichtgrün auf Sauerstoff zurückgeht.

Was verursacht das rote Polarlicht?

Das grüne Licht entsteht durch einen sogenannten „verbotenen“ Übergang: Ein Elektron im Sauerstoffatom vollzieht dabei einen unwahrscheinlichen Sprung von einem Orbitalmuster in ein anderes. (Verbotene Übergänge sind deutlich weniger wahrscheinlich als erlaubte und benötigen daher mehr Zeit.)

Auch nach dem Aussenden des grünen Photons befindet sich das Sauerstoffatom jedoch noch in einem weiteren angeregten Zustand ohne erlaubte Möglichkeit zur Entspannung. Es kann nur über einen weiteren verbotenen Übergang entkommen, nämlich vom Zustand ¹D in den Zustand ³P – dabei wird rotes Licht ausgesendet.

Dieser Übergang ist sozusagen noch stärker verboten, und der Zustand ¹D muss ungefähr zwei Minuten bestehen bleiben, bevor er schliesslich die Regeln brechen und rotes Licht abgeben kann. Weil das so lange dauert, tritt rotes Licht nur in grossen Höhen auf, wo Zusammenstösse mit anderen Atomen und Molekülen selten sind.

Da dort oben zudem nur sehr wenig Sauerstoff vorhanden ist, zeigt sich das rote Licht meist nur bei intensiven Polarlichtern – wie jenen, die wir gerade erlebt haben.

Darum erscheint rotes Licht über dem grünen. Beide Farben entstehen zwar durch verbotene Entspannungen von Sauerstoffatomen, doch rotes Licht wird wesentlich langsamer ausgesendet und in tieferen Höhen mit grösserer Wahrscheinlichkeit durch Zusammenstösse mit anderen Atomen ausgelöscht.

Weitere Farben und warum Kameras sie besser erfassen

Grün ist die am häufigsten sichtbare Farbe eines Polarlichts, Rot die zweithäufigste. Daneben gibt es jedoch weitere Farben. Besonders ionisierte Stickstoffmoleküle (N₂⁺, denen ein Elektron fehlt und die positiv elektrisch geladen sind) können blaues und rotes Licht aussenden. In niedrigen Höhen kann dadurch ein magentafarbener Ton entstehen.

Alle diese Farben sind mit blossem Auge erkennbar, sofern das Polarlicht hell genug ist. Im Kameraobjektiv erscheinen sie allerdings intensiver.

Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens profitieren Kameras von einer langen Belichtungszeit: Sie können länger Licht sammeln und ein Bild erzeugen, als es unsere Augen können. Dadurch lassen sich auch bei schwächeren Lichtverhältnissen Aufnahmen machen.

Zweitens funktionieren die Farbsensoren unserer Augen bei Dunkelheit nicht besonders gut – bei wenig Licht sehen wir daher meist schwarz-weiss. Kameras unterliegen dieser Einschränkung nicht.

Es gibt jedoch keinen Grund zur Sorge: Bei ausreichend hellen Polarlichtern sind die Farben auch mit blossem Auge deutlich sichtbar.

Timothy Schmidt, Professor für Chemie, UNSW Sydney

Dieser Artikel wurde unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.