Forscher lösen Rätsel um "Aurora-Flecken" Plasmawellen lassen Polarlichter pulsieren

Es gehört zu den faszinierenden Naturschauspielen der Welt: Das Polarlicht, dass meist in satten Grüntönen über den Himmel nahe der Pole zu tanzen scheint. Darüber, wie die klassische Aurora borealis (Nordlicht) und Aurora australis (Südlicht entstehen, sind sich Forscher einig. Doch ein anderer Polarlichttyp sorgte immer wieder für Rätsel: die pulsierende Aurora. Wie eine Neonröhre am Nachthimmel flackert sie in Flecken auf und verschwindet wieder. Nun ist klar: Plasmawellen sind die Ursache.

Polarlicht in Finnland
Eine "klassische" Aurora borealis über Finnland Bildrechte: Colourbox

Für alle Polarlicht-Fans ist klar: Wenn auf der Sonne heftige Stürme prognostiziert werden, ist auf der Erde bald Zeit für eines der beeindruckendsten Naturschauspiele der Welt. Denn wenn der Sonnensturm die Erde trifft, beginnt die Aurora am Himmel zu tanzen. Dann prallt nämlich ein energiereicher Teilchenstrom von der Sonne auf das Magnetfeld der Erde und setzt schnelle Elektronen frei. Die rasen dann wiederum entlang der Magnetfeldlienien in Richtung der Pole. Dort kollidieren sie dann oftmals in der oberen Atmosphäre mit Gasteilchen - etwa Stickstoff- oder Sauerstoffatomen, die dadurch zum Leuchten gebracht werden. Diese Auroren bilden am Himmel lange, geschwungene Schleier, die aussehen wie große bunte Flächen oder wie eine Art Vorhang. Doch es gibt auch noch eine andere, weit mysteriösere Form von Polarlichtern: Die pulsierenden Auroren erscheinen ganz unabhängig von Sonnenstürmen als flackernde Flecken am Himmel, die hunderte Kilometer groß sein können.

Die pulsierenden Polarlichter haben Forscher lange Zeit vor Rätsel gestellt. Erst im Jahr 2015 konnten NASA-Forscher herausfinden, was die Ursache ist. Sie entstehen, weil Elektronen wie winzige Ping-Pong-Bälle entlang der Magnetfeldlinien zwischen den Polen hin und her rasen. Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Satoshi Kasahara von der Universität Tokio konnte jetzt erstmals beobachten, was diesen Tanz der Elektronen auslöst. Und sie haben eine ältere Theorie bestätigt: Plasmawellen lassen energiereiche Elektronen in die oberen Atmosphärenschichten regnen. Ihre Beobachtungen haben die Forscher im Fachblatt "Nature" veröffentlicht.

Erdmagnetfeld Das Erdmagnetfeld wird hauptsächlich durch den flüssigen, äußeren Erdkern erzeugt, dem sogenannten Geodynamo. Außerdem tragen Ströme in der Atmosphäre dazu bei, auch sogenannte Multipol-Komponenten, etwa Erzvorkommen in der Erdoberfläche, beeinflussen das Magnetfeld der Erde. Am stärksten wirkt es in der Nähe der Pole, am schwächsten am Äquator. Das ist der Grund, warum Kompasse zu den Polen zeigen.

Schon seit längerer Zeit haben Wissenschaftler angenommen, dass es in der sogenannten Magnetosphäre - also dem Bereich, in dem das Magnetfeld der Erde wirkt - Fluktuationen gibt. Das heißt, dass es darin kurzzeitige Schwankungen der Elektronenmenge geben soll. Das führt den Forschern zufolge dazu, dass Plasmawellen entsthen - die sogenannten "Chorus Waves". Und die wiederum spülen energiereiche Elektronen in die oberen Schichten der Atmosphäre. Diesen Prozess konnte das Forschungsteam nun erstmals mithilfe des japanischen Forschungssatelliten "Arase" beobachten.

Der Satellit war für den Nachweis wichtig: Denn bisherige Messgeräte hätten die hinabregnenden Plasmawellen-Elektronen nicht von anderen Elektronen unterscheiden können, heißt es von der Universität Tokio. "Arase" dagegen besitzt aber genau dafür einen Spezialdetektor, den das Team um den Planetologen Kasahara eigens entwickelt hat. Nur eine Bedingung musste noch erfüllt sein: Der Satellit muss sich, während die Polarlichter am Himmel pulsieren, auch auf der passenden Feldlinie des Magnetfelds der Erde aufhalten.

Und bei diesem Glücksspiel waren die Forscher tatsächlich erfolgreich: Am 27. März 2017 flammten pulsierende Polarlichter über Kanada auf und die Wissenschaftler waren zur richtigen Zeit am richtigen Ort. Es war das erste Mal, dass sie die Streuung von Elektronen durch "Chorus Waves" direkt beobachtet haben, die einen Teilchenniederschlag in die Erdatmosphäre erzeugt hat, sagte Erstautor Kasahara. "Der hinabregnende Elektronenfluss war intensiv genug, um pulsierende Polarlichter zu erzeugen."

Mit ihrer Beobachtung haben die Forscher ein Modell bestätigt, dass nicht nur die pulsierenden Polarlichter auf der Erde erklären kann. Denn auch die Riesenplaneten Jupiter und Saturn haben Magnetosphären, in denen die "Chorus Waves" bereits nachgewiesen werden konnten. Es könnte also sein, dass auch dort auf genau dieselbe Weise pulsierende Auroren entstehen, schreiben die Wissenschaftler. Ungewöhnlich wäre das nicht: Auch auf Himmelskörpern außerhalb unseres Sonnensystems wurden Polarlichter schon nachgewiesen.

Plasmawellen In der Physik bezeichnet man ein gasförmiges, elektrisch leitfähiges und nach außen hin elektrisch neutrales Gemisch aus geladenen und ungeladenen Teilchen als Plasma. In einem solchen Plasma breiten sich üblicherweise Wellen aus. Je nach Temperatur, Magnetfeld und anderen Eigenschaften kann es eine Vielzahl verschiedener Wellen geben. Ist im Plasma ein Magnetfeld vorhanden, breiten die Wellen sich häufig parallel oder senkrecht dazu aus.

Dieses Thema im Programm: MDR KULTUR - Das Radio | 05. Januar 2017 | 08:30 Uhr