Polarlicht bildet sich: Erstmals „Polarregen-Aurora“ vom Boden aus entdeckt  

Es wurde bestätigt, dass es sich bei dem gigantischen, gleichmäßigen Polarlicht, das in der Weihnachtsnacht 2022 vom Boden aus zu sehen war, um ein Polarregen-Polarlicht handelte. Dies war die erste bodengestützte Beobachtung eines Polarregen-Polarlichts. Im Gegensatz zu einem typischen Polarlicht, das von den einfallenden Elektronen angetrieben wird, die im Magnetoschweif der Magnetosphäre der Erde gespeichert sind, wird das Polarregen-Polarlicht durch Elektronen gebildet, die entlang offener Magnetfeldlinien direkt von der Sonnenkorona zu den Polarregionen der Erde wandern und dort in einem Elektronenniederschlag des „Polarregens“ gipfeln, der bei der Wechselwirkung mit Sauerstoff- und Stickstoffatomen in der Atmosphäre optische Emissionen erzeugt.  

Die Geschichte der Polarlichter, der farbenfrohen, schillernden Lichtshows (im Nordpolgebiet Nordlichter oder Aurora borealis und im Südpolgebiet Südlichter oder Aurora australis genannt), beginnt in der Koronaschicht der Sonnenatmosphäre. Die Temperatur dieser solaren Atmosphärenschicht ist extrem hoch. Während die Temperatur der Photosphärenschicht (die als Sonnenoberfläche betrachtet wird, weil wir diese mit Licht beobachten können) beträgt etwa 6000 Kelvin, die Durchschnittstemperatur der Korona beträgt aufgrund des „Koronalen Heizparadoxons“ zwischen 1 und 2 Millionen Kelvin. Eine so hohe Temperatur macht die Korona zu einer Schicht aus überhitztem Plasma. Sonnenwind, der aus hochenergetischen elektrisch geladenen Teilchen (wie Elektronen, Protonen, Alphateilchen und Schwerionen) besteht, strömt kontinuierlich in alle Richtungen aus der Koronaschicht, auch in Richtung Erde.    

Die Reise der energiegeladenen Teilchen von der Sonne zur Erde ist nicht einfach und unkompliziert. Normalerweise werden die ionisierten Teilchen durch das Magnetfeld der Erde (Magnetosphäre) abgelenkt, sodass Lebensformen und elektrische Systeme auf der Erde von den schädlichen Auswirkungen des Sonnenwindes verschont bleiben.  

Im Falle eines massiven Ausstoßes geladener Teilchen aus der Sonne, wie im Falle eines koronalen Massenauswurfs (CMEs), wird die Magnetosphäre der Erde jedoch überlastet und es kommt zu einem magnetischen Sturm. Der Sturm belastet die Magnetosphäre, bis sie zurückschnellt und einige der geladenen Teilchen in Richtung Erde schleudert.  

Das zurückziehende Band des Magnetfelds zieht die Elektronen im Sonnenwind in die Polarregionen, wo 100-300 km über der Oberfläche in der oberen Atmosphäre Polarlichter beobachtet werden. Der Beitrag von Protonen und anderen Ionen im Sonnenwind zur Polarlichtbildung ist vernachlässigbar.  

Aurora ist im Grunde genommen eine optische Emission von Sauerstoff- und Stickstoffatomen, die durch energiereiche Elektronen angeregt werden, die aus der Magnetosphäre entlang der geschlossenen Magnetfeldlinien der Erde niederschlagen (energiereicher Elektronenniederschlag oder EEP bezeichnet die Abgabe von Elektronenenergie in die Atmosphäre). Die Wechselwirkung energiereicher Elektronen mit Sauerstoff in der Atmosphäre ist für die grünen und roten Farben verantwortlich, während die Wechselwirkung mit Stickstoff zur Erzeugung blauer und tiefroter Farbtöne führt. 

Die Entstehung von Polarlichtern wird also durch die einfallenden Elektronen angetrieben, die im Magnetoschweif gespeichert sind (der Bereich der Magnetosphäre der Erde, der vom Sonnenwind in einem riesigen Schweif von der Sonne weggetrieben wird). Die in der Magnetosphäre gespeicherten Elektronen werden durch den Sonnenwind angeregt und fallen dann in den Polarregionen in Schüben in die Atmosphäre aus, wo sie Polarlichter entstehen lassen.  

Polarregen Aurora 

In seltenen Fällen werden Polarlichter jedoch durch Elektronen gebildet, die direkt von der Sonnenkorona entlang offener Magnetfeldlinien in die Polarregionen der Erde wandern und dort in einem Elektronenniederschlag, einem „Polarregen“, gipfeln. Ein solcher Elektronenniederschlag ist besonders intensiv, wenn die Dichte des Sonnenwinds gering ist. Die von solchen Elektronen verursachten optischen Emissionen sind schwach und das gebildete Polarlicht wird als „Polarregen-Aurora“ bezeichnet.  

Die Polarregen-Auroren wurden nur selten von Satelliten aus dem Weltraum beobachtet. Bodengestützten Einrichtungen gelang es jedoch nie, einen solchen Fall festzustellen.  

Am 25.^th-26^th Im Dezember 2022 wurde von bodengestützten Kameras in der Arktisregion ein atypisches Polarlicht aufgenommen, als der Sonnenwind fast verschwunden war. Das beobachtete Polarlicht war gleichmäßig und gigantisch groß. Es sah nicht wie ein typisches Polarlicht aus. Ein typisches Polarlicht an der Polarkappe ist ein farbenfrohes, schillerndes Lichtspiel mit einem dynamischen Muster regenbogenartiger Lichter. Es kann als Vorhang, Strahlen, Spiralen oder als wechselndes Flackern erscheinen. Theta-Aurora erscheint wie der griechische Buchstabe Theta (ein Oval mit einer Linie, die durch die Mitte verläuft), wenn man es von oben mit Satelliten beobachtet. Theta-Auroren werden auch bezeichnet als „transpolare Bögen“ wegen der Erscheinung großflächiger Bögen von oben betrachtet.‘Sonnenausgerichtete Bögen.' sind kleine und schwache Polarlichtbögen, die von bodengebundenen Observatorien aus beobachtet werden. Ein Ende der Bögen ist auf die Sonne gerichtet und wird daher 'Sonnenausgerichtete Bögen. " 

Das Polarlicht, das in der Weihnachtsnacht 2022 beobachtet wurde, war glatt, diffus und gigantisch groß. Es sah nicht wie ein typisches Polarlicht aus, daher wurde angenommen, dass es sich um ein Polarregen-Polarlicht handelte. Um dies zu bestätigen, untersuchten die Forscher dies anhand von satelliten- und bodengestützten Daten.  

Die Satellitenbilder zeigten, dass die Polkappenregion zu Beginn völlig leer war. Am 25. Juni füllte sich die Polkappe mit einem schwachen, diffusen Polarlicht.^th Dezember. Anschließend wurde bald fast die gesamte Polkappenregion von intensiven, aber weniger strukturierten Emissionen bedeckt. Diese großflächige Füllung der Polkappe durch diffuse Polarlichter dauerte etwa 28 Stunden an. Die intensive Emission innerhalb der Polkappe begann am Morgen des 26.^th Dezember und innerhalb weniger Stunden hatte die Struktur des Polarlichts wieder ihre normale Verteilung erreicht und die Polkappe war wieder leer.  

Polarer Regen mit Elektronenniederschlag tritt im Allgemeinen nur in einer Hemisphäre auf, abhängig von der Ausrichtung des interplanetaren Magnetfelds (IMF). Gleichzeitige Satellitenbilder zeigten eine vollständige Füllung der Polkappe der nördlichen Hemisphäre, während die Polkappe der südlichen Hemisphäre leer war. Diese beobachtete interhemisphärische Asymmetrie und die erwartete Ausrichtung des IMF deuteten stark darauf hin, dass es sich bei dem innerhalb der Polkappe der nördlichen Hemisphäre entdeckten großflächigen Polarlicht um ein Polarregen-Panorama handelte. Die interhemisphärische Asymmetrie war auch in den Elektronendaten zu sehen. Auch die Korrelation zwischen dem Zeitpunkt des Verschwindens des Sonnenwinds und dem der Füllung der Polkappe war sehr gut.  

Die optischen Messungen von einer bodengestützten Anlage in der arktischen Stadt Longyearbyen am 25.^th -26^th Im Dezember zeigte sich, dass hochenergetische Elektronen (>1 keV) die Hauptkomponente des Elektronenniederschlags bildeten. Der Satellit konnte auch einen Zustrom hochenergetischer Elektronen beobachten. Infolgedessen war das Polarlicht vom Boden aus als hellgrüne Emissionen sichtbar.  

In einer früheren Studie wurde nachgewiesen, dass sich das Polarregen-Polarlicht mit 150 Metern pro Sekunde gegen die Sonne bewegt. Im Fall eines atypischen Polarlichts, das in der Weihnachtsnacht 2022 zu sehen war, ergab die Analyse der optischen Querschnittsdaten, dass sich das Polarlicht gegen die Sonne ausbreitete, die Geschwindigkeit des Polarlichts vom Boden aus gesehen jedoch zwei- bis dreimal höher war.  

Das gigantische, gleichmäßige Polarlicht, das in der Weihnachtsnacht 2022 vom Boden aus sichtbar war, war also ein Polarregen. Dies war die erste bodengestützte Beobachtung eines Polarregens, einem einzigartigen Aspekt der komplexen Verbindung zwischen Sonne und Erde.  

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Literaturverzeichnis:  

1. Hosokawa, K. et al 2024. Außergewöhnlich gigantisches Polarlicht in der Polkappe an einem Tag, an dem der Sonnenwind fast verschwunden war. SCIENCE ADVANCES. 21. Juni 2024. Band 10, Ausgabe 25. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5276  

2. SWPC, NOAA. Aurora. Verfügbar unter https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/aurora  

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