Rätselhaftes Naturphänomen
Woher stammen die weißen Lichtflecken in Polarlichtern?
Manche Polarlichter werden von seltsam weißlichen Lichtflecken begleitet. Worum es sich handelt und wie diese Flecken entstehen, könnten Forscher nun erstmals aufgeklärt haben.
Von Markus Brauer
Ob grünliche Schlieren, silbriges Schimmern oder blutrotes Leuchten: Polarlichter sind ein faszinierendes Phänomen der Natur, gleich einer Symphonie der Farben. Der wissenschaftliche Name für Nordlichter auf der Nordhalbkugel ist Aurora borealis, für Südlichter auf der Südhalbkugel Aurora australis. Polarlichter sind meist in zwei drei bis sechs Breitengraden umfassenden Bändern in der Nähe der Magnetpole zu sehen.
Wie entstehen Polarlichter entstehen
Ursache für das Auftreten von Polarlichtern sind Sonneneruptionen, bei denen es zu einem koronalen Massenauswurf Richtung Erde kommt, der aus Elektronen, Protonen und Atomkernen besteht. Weil Bestandteile dieses Plasmas elektrisch geladen sind, wechselwirken sie mit dem Erdmagnetfeld und stauchen es quasi zusammen.
Durch magnetische Kurzschlüsse im Schweif des Erdmagnetfeldes werden Teilchenströme aus Stickstoff- und Sauerstoffatome der Atmosphäre in den Polarregionen erzeugt, die die Luftteilchen zum Leuchten anregen, was als Polarlicht sichtbar wird.
Meist haben die Auroren grüne und rötliche Farbtöne, die durch die komplexe Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der oberen Erdatmosphäre. Dadurch werden Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle der Luft energetisch angeregt und geben diese Energie anschließend als Licht ab – eine Aurora entsteht. Typisch für sie ist eine relativ enge spektrale Bandbreite, durch die das Polarlicht farbig erscheint. Wenn Polarlichter bei starken Sonnenstürmen bis in unsere Breiten hinein auftreten, erscheinen sie meist rötlich.
Rätsel um weiße Lichtflecken
Es gibt jedoch eine Leuchterscheinung, die zwar mit Auroren gemeinsam auftritt, aber anders aussieht: „Man sieht die normale grüne Aurora, im Hintergrund vielleicht noch ein wenig rötliches Polarlicht. Dann erscheint plötzlich diese strukturierte, fast einem Fleck ähnelnde weißliche oder gräuliche Emission“, erklärt Emma Spanswick von der University of Calgary das Phänomen. Die weißliche Farbe dieses Leuchtens deutet darauf hin, dass es aus Licht nahezu aller Wellenlängen besteht. Es ist eine sogenannte Kontinuum-Emission.
Die Studie ist Fachmagazin „Nature Communications“ erschienen.
Mysterious White Patch in Northern Lights - Explained | "...all of a sudden, you'd see this.. grey-toned or white toned-emission connected to the aurora," said Dr. Emma Spanswick, PhD.. "So, the 1st response of any scientist is, 'Well, what is that?'" https://t.co/Nz5qbLns9o — Science Rocks (@ScienceDoesRock) January 12, 2025
Wie entstehen weiße Lichtflecken bei Polarlichtern?
Bisher ließ sich dies nur schwer feststellen, weil es schlicht an geeigneten Daten fehlte. Gängige Sensoren für die Polarlichtforschung zeichnen das atmosphärische Leuchten in engen Spektralbereichen auf. Das verrät dann zwar gut, welche Energien die von den Luftmolekülen emittierten Photonen haben, kann aber eine breitbandige Strahlung nur schlecht einfangen.
Mehr Aufschluss geben nun erstmals Aufnahmen von zwei speziell für die Aurora-Beobachtung konzipierte Breitbandkameras, die an zwei Seen in Kanada stationiert sind.
Diese „Transition Region Explorer“ (TREx-RGB) getauften Spektrografen bilden das komplette Lichtspektrum zwischen 400 und 800 Nanometer Wellenlänge ab und erstellen jede Nacht Aufnahmen des gesamten Himmels über ihnen. Für ihre Studie haben Spanswick und ihr Team speziell den Spektralbereich untersucht, in dem weder Auroren noch Airglow vorkommt.
Fäden, Bögen, Flecken
Die grau-weißen Lichtflecken können sich über Dutzende bis hunderte Kilometer erstrecken und verschiedenste Formen haben: von langgestreckten Fäden und Bögen bis zu kompakteren Flecken. Die Flecken erscheinen zudem fast immer in unmittelbarer Nähe von starken Polarlichtern oder leuchten direkt an den Stellen, an denen es vorher eine typisch grüne Aurora gab, wie die Forscher berichten.
Als Ursache der rätselhaften weißen Lichtflecken vermuten Spanswick und ihr Team chemische Reaktionen von Stickstoffdioxid, die Energie in Form von Photonen abgeben. Diese sogenannte Chemolumineszenz füllt dann die Lücken im Spektrum, die bei Polarlichtern und Airglow freibleiben. Dieses weißliche Leuchtphänomen tritt allerdings nur dann auf, wenn starke Polarlichter präsent sind, die die nötige Energie liefern.