Im Gegensatz zum Polarlicht auf diesem Bild zeigte das seltene Polarlicht keine ausgeprägten Muster oder Bewegungen.(Bildnachweis: sarawut via Getty Images)
Ein bemerkenswert gleichmäßiges und rätselhaftes Weihnachtsorakel, das 2022 über der Arktis beobachtet wurde, war das Ergebnis eines „Regens“ von Elektronen direkt von der Sonne, so japanische und US-amerikanische Forscher.
Es ist das erste Mal, dass ein seltenes Polarlicht dieser Art vom Boden aus gesehen wurde, und es kam zu einem Zeitpunkt, als die Böen des Sonnenwindes fast vollständig abgeklungen waren und eine Region der Ruhe um die Erde hinterließen.
Normalerweise bewegen sich die Polarlichter, wie die, die im Mai weltweit zu sehen waren, und pulsieren mit deutlich erkennbaren Formen am Himmel. Diese Polarlichter werden von Elektronen aus dem Sonnenwind angetrieben – einem Strom geladener Teilchen, der von der Sonne ausgeht -, die in einer Erweiterung des Erdmagnetfelds, dem so genannten Magnetschweif, gefangen werden. Wenn das Weltraumwetter extrem wird, z. B. wenn ein koronaler Massenauswurf (CME) – ein großer Ausstoß von Plasma und Magnetfeld von der Sonne – ausgelöst wird, kann der Magnetschweif abgeknickt werden (keine Sorge, er wächst nach). Die dort gefangenen Elektronen fließen entlang der Magnetfeldlinien der Erde zu den Polen. Dabei treffen sie auf Moleküle in der Erdatmosphäre, kollidieren mit ihnen und bringen sie zum Leuchten in den Farben des Polarlichts (blau für Stickstoffemission, grün oder rot für Sauerstoff, je nach Höhe).
Das sanfte Polarlicht vom 25. und 26. Dezember 2022 war jedoch ganz anders. Die von einer All-Sky Electron Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD)-Kamera in Longyearbyen in Norwegen aufgenommene Aurora war ein schwaches, funktionsloses Glühen, das sich über 4.000 Kilometer erstreckte. Es hatte keine Struktur, kein Pulsieren oder wechselnde Helligkeit. Eine solche Art von Polarlicht war von der Erde aus noch nie zuvor gesehen worden.
Um das Rätsel zu lösen, verglich ein Team unter der Leitung von Keisuke Hosokawa vom Center for Space Science and Radio Engineering an der University of Electro-Communications in Tokio dieses unscheinbare Polarlicht mit dem, was der Special Sensor Ultraviolet Scanning Imager (SSUSI) auf den polarumlaufenden Satelliten des Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) sah. Das DMSP wird von der National Oceanic and Atmospheric Administration und der US Space Force im Auftrag des US-Verteidigungsministeriums betrieben.
Satellitenbilder der polaren Regenaura. A“ ist ein ultraviolettes Bild des Polarlichts, das von einem Satelliten aus auf die Nordpolkappe blickt. B“ ist ein ähnliches Bild mit Blick auf die Südpolkappe, das zeigt, dass es dort kein Polarlicht gab. C“ und „D“ zeigen die Energie von Ionen bzw. Elektronen über der Nordpolkappe, und „E“ und „F“ zeigen dasselbe für die Aurora-freie Südpolkappe. (Bildnachweis: Credit: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn5276)
Die Satelliten sahen das Polarlicht von oben und stellten fest, dass es alle Merkmale einer seltenen Art von Polarlicht aufwies, die bisher nur vom Weltraum aus gesehen worden war: das Polarlicht.
Der normale Sonnenwind bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 400 km pro Sekunde. Die heiße Korona der Sonne ist jedoch voller Löcher, insbesondere in höheren Breitengraden, aus denen ein außergewöhnlich „schneller“ Sonnenwind mit einer Geschwindigkeit von bis zu 800 km pro Sekunde ausströmt. Manchmal können diese koronalen Löcher auch in niedrigeren Breitengraden auftreten, und genau das geschah über Weihnachten 2022, als der reguläre Sonnenwind ausblieb.
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Am Ort der koronalen Löcher sind die Magnetfeldlinien der Sonne offen – sie laufen nicht auf die Sonnenoberfläche, die Photosphäre, zurück. Da sich die offenen Magnetfeldlinien in den Weltraum ausdehnen, bildet das koronale Loch die Basis eines magnetischen Trichters, aus dem hochenergetische Elektronen strömen.
Eine schematische Darstellung des Polarlichtregens, bei dem Elektronen aus einem koronalen Loch auf der Sonne strömen. (Bildnachweis: Credit: Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn5276)
Im Fall des Polarlichtregens reisten diese Elektronen durch den Weltraum, und die offenen Magnetfeldlinien verbanden sich mit dem Erdmagnetfeld oberhalb des Nordpols, so dass die Elektronen direkt auf die Pole regnen konnten, anstatt im Magnetschweif gefangen zu werden.
Normalerweise bemerken wir dies nicht, da die regulären Polarwindteilchen die vom koronalen Loch ausgehenden Schnellwindelektronen streuen. In diesem Fall war der Druck des Sonnenwindes jedoch so weit gesunken, dass er vernachlässigbar war, und die Schnellwindelektronen konnten die Erde ungehindert erreichen.
Darüber hinaus beträgt der Durchmesser der Öffnung dieses magnetischen Trichters etwa 7.500 km (4.600 Meilen), wenn man ihn auf die Entfernung der Erde von der Sonne projiziert. Deshalb erschien das Polarlicht so gleichmäßig; die offenen magnetischen Flussröhren, die von der Sonne ausgingen, bedeckten einen größeren Bereich als die Nordpolkappe der Erde. Da die Elektronen hochenergetisch waren, war die Aurora-Emission rein grün und nicht rot, weil es mehr Energie braucht, um Sauerstoff tiefer in der Atmosphäre zu ionisieren.
Der entscheidende Beweis war, dass die DMSP-Satelliten das Polarlicht nur über dem magnetischen Nordpol der Erde sahen, der im Winter der nördlichen Hemisphäre zur Sonne hin geneigt ist.
„Als der Sonnenwind verschwand, entstand ein intensiver Strom von Elektronen mit einer Energie von >1keV beobachtet, der das Polarlicht sogar vom Boden aus als helles grünliches Licht sichtbar machte“, so das Team um Hosokawa in seinem veröffentlichten Forschungsbericht.
Der Polarregen selbst wurde bereits zuvor mit Teilchendetektoren auf Satelliten in der Umlaufbahn eingehend untersucht, aber solche Studien sind selten und weit verbreitet. Diese glatten Polarlichter sind am Boden normalerweise nicht mit bloßem Auge sichtbar. Daher wusste niemand, was es mit dem glatten, strukturlosen Polarlicht auf sich hatte, das den Himmel über Weihnachten 2022 grün färbte – bis jetzt. Die vollständige Erklärung ist in der Ausgabe vom 21. Juni der Zeitschrift Science Advances zu finden.
