Aurora: Eine großartige Symphonie aus Sonnenwind und Erdmagnetfeld

Aurora ist ein farbenfrohes Plasmaphänomen, das auftritt, wenn der geladene Teilchenstrom der Sonne (Sonnenwind) in das Magnetfeld der Erde eintritt und in großen Höhen in der Nähe des Nord- und Südpols der Erde mit Atomen und Molekülen in der Atmosphäre kollidiert, wodurch ein wunderschönes Licht ausgestrahlt wird. In der Antarktis werden sie Südlichter und in der Arktis Nordlichter genannt.

1. Der Mechanismus der Polarlichtentstehung

Für die Entstehung von Polarlichtern sind drei Bedingungen notwendig: Atmosphäre, Magnetfeld und hochenergetische geladene Teilchen. Alle drei sind unverzichtbar. Die Atmosphäre liefert leuchtende Materie, das Magnetfeld bietet einen Kanal zur Führung geladener Teilchen und hochenergetische geladene Teilchen liefern die Energie, um die Atmosphäre zum Leuchten anzuregen.

1.1 Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht aus Gasen unterschiedlicher Zusammensetzung und Dichte, von denen Stickstoff und Sauerstoff die wichtigsten sind. Die Atmosphärenschichten in unterschiedlichen Höhen sind unterschiedlich starker Sonneneinstrahlung ausgesetzt und weisen daher unterschiedliche Temperaturen und Ionisationsgrade auf.

Die atmosphärische Schicht nahe der Erdoberfläche wird Troposphäre genannt. Mit zunehmender Höhe nimmt die Temperatur ab und erreicht in etwa 10 Kilometern Höhe ihren Tiefpunkt (-60 °C).

Über der Troposphäre befindet sich die Stratosphäre, in der die Temperatur mit der Höhe zunimmt und in etwa 50 Kilometern Höhe ihren höchsten Punkt (0 °C) erreicht.

Über der Stratosphäre befindet sich die Mesosphäre, in der die Temperatur mit der Höhe abnimmt und in etwa 80 Kilometern Höhe ihren niedrigsten Punkt (-90 °C) erreicht.

Über der Mesosphäre befindet sich die Thermosphäre, in der die Temperatur mit der Höhe zunimmt und in etwa 500 Kilometern Höhe ihren höchsten Punkt (1000 °C) erreicht.

Über der Thermosphäre befindet sich die Exosphäre, die weiter vom Erdmittelpunkt entfernt ist und weniger von der Schwerkraft der Erde beeinflusst wird, sodass die großen Gaspartikel in dieser Schicht häufig in den Weltraum entweichen. Die Dichte der Atmosphäre ist extrem gering und unterscheidet sich kaum von der des Weltraums.

Da die Thermosphäre starker ultravioletter und Röntgenstrahlung der Sonne ausgesetzt ist, werden die darin enthaltenen Atome und Moleküle in positive und negative Ionen sowie freie Elektronen ionisiert und bilden so die Ionosphäre. Die Ionosphäre hat die Eigenschaft, Radiowellen zu reflektieren und spielt eine wichtige Rolle im Funkverkehr. Polarlichter treten hauptsächlich in der Thermosphäre auf, da dort genügend Atome und Moleküle vorhanden sind, die zur Lichtemission angeregt werden können, und die Dichte und der Druck niedrig genug sind, sodass die angeregten Atome und Moleküle nicht so leicht durch Kollisionen verloren gehen. Polarlichter treten im Allgemeinen in Höhen zwischen 80 und 500 Kilometern auf.

1.2 Magnetfeld

Die Erde ist ein riesiger Magnet mit einem komplexen und dynamischen Magnetfeld in ihrem Inneren. Das Magnetfeld der Erde kann man sich ungefähr als Dipolmagnet vorstellen, mit einem Südpol und einem Nordpol im Erdmittelpunkt. Sie fallen nicht mit dem geografischen Nord- und Südpol zusammen, weisen aber eine gewisse Neigung und Versetzung auf. Die Stärke und Richtung des Erdmagnetfelds variieren je nach Ort und Zeit, aber im Allgemeinen ist die Stärke des Erdmagnetfelds am Äquator am schwächsten (etwa 0,3 Gauß) und an den Polen am stärksten (etwa 0,6 Gauß).

Die äußere Form des Erdmagnetfelds kann näherungsweise als ein aus magnetischen Kraftlinien zusammengesetztes Ellipsoid betrachtet werden. Dieses Ellipsoid ist auf der der Sonne zugewandten Seite gestaucht und auf der der Sonne abgewandten Seite gestreckt, wodurch ein magnetischer Schweif entsteht. Dies liegt daran, dass das Magnetfeld der Erde durch den Sonnenwind beeinflusst wird, einen Strom geladener Teilchen, der kontinuierlich aus der Sonnenatmosphäre ausgestoßen wird. Es besteht hauptsächlich aus Elektronen und Protonen, hat eine Geschwindigkeit von etwa 400–800 km/s, eine Dichte von etwa 5–10 Teilchen/Kubikzentimeter, eine Temperatur von etwa 100.000–2 Millionen Kelvin und eine magnetische Feldstärke von etwa 2–5 nT.

Der Sonnenwind interagiert mit dem Magnetfeld der Erde und bildet eine komplexe und dynamische Struktur, die als Magnetosphäre der Erde bezeichnet wird. Die Magnetosphäre der Erde kann in mehrere Bereiche unterteilt werden: Bugstoßwelle, Vorderkante der Magnetosphäre, Magnetosphärenmantel, Magnetoschweif, Plasmaschicht, Plasmasphäre, Plasmastrahl usw. In diesen Bereichen treten verschiedene physikalische Phänomene auf, wie etwa elektrischer Strom, elektrisches Feld, Wellenbewegung, Teilchenbeschleunigung, Energieumwandlung usw.

Das Magnetfeld der Erde leitet und fängt geladene Teilchen im Sonnenwind ein. Einige der geladenen Teilchen werden vom Magnetfeld der Erde in den Weltraum zurückgeworfen und bilden die Van-Allen-Strahlungsgürtel. Andere geladene Teilchen folgen den magnetischen Feldlinien der Erde in die polare Atmosphäre und bilden die Polarlichter.

1.3 Hochenergetische geladene Teilchen

Die Energie für das Polarlicht stammt von hochenergetischen geladenen Teilchen im Sonnenwind, hauptsächlich Elektronen und Protonen. Diese geladenen Teilchen müssen mehrere Schritte durchlaufen, bevor sie in die Erdatmosphäre gelangen: Zunächst müssen sie aus dem Sonnenwind extrahiert werden. zweitens müssen sie auf eine ausreichend hohe Energie beschleunigt werden; Schließlich müssen sie entlang der magnetischen Feldlinien der Erde in die polare Atmosphäre hinabsteigen.

Die Extraktion geladener Teilchen aus dem Sonnenwind erfolgt hauptsächlich in mehreren Regionen der Magnetosphäre der Erde: der Bugstoßwelle, der Magnetosphäre, dem Plasmablatt und der Plasmasphäre. In diesen Regionen entstehen durch die Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und dem Magnetfeld der Erde verschiedene Instabilitäten und Schwankungen, die dazu führen, dass geladene Teilchen im Sonnenwind sich mit geladenen Teilchen in der Magnetosphäre der Erde austauschen und vermischen.

Der Prozess der Beschleunigung geladener Teilchen findet hauptsächlich in zwei Regionen der Magnetosphäre der Erde statt: der Plasmasphäre und dem Magnetoschweif. In der Plasmasphäre werden aufgrund von Faktoren wie Tagesgangschwankungen und koronalen Massenauswürfen (CMEs) kreisförmige Ströme und kreisförmige elektrische Felder erzeugt, die dazu führen, dass geladene Teilchen sich auf Kreisbahnen bewegen und Effekten wie radialer Drift und Resonanz ausgesetzt sind, wodurch ihre Energie zunimmt. Im Magnetoschweif treten aufgrund der Kompression des Sonnenwinds und der Verzerrung der Magnetosphäre Phänomene wie magnetische Rekonnexion und Plasmaschichttrennung auf, die dazu führen, dass geladene Teilchen eine enorme Beschleunigung erfahren und entlang der magnetischen Feldlinien in Richtung der Erdpole übertragen werden.

Der Prozess des Abstiegs entlang der magnetischen Feldlinien der Erde in die polare Atmosphäre findet hauptsächlich in der Polarlichtregion und der Polkappenregion statt. Aufgrund der Quasi-Dipol-Natur des Erdmagnetfelds ist der Winkel zwischen den magnetischen Feldlinien und der Grundebene in der Polarlichtregion klein und geladene Teilchen können leichter in die Atmosphäre gelangen. Aufgrund der Abweichung des Erdmagnetfelds ist in der Polkappenregion der Winkel zwischen den Magnetlinien und der Erdoberfläche groß, und geladene Teilchen müssen stärkere elektrische Felder oder Schwankungen durchlaufen, bevor sie in die Atmosphäre gelangen können.

Wenn hochenergetische geladene Teilchen in die Atmosphäre gelangen, kollidieren sie mit Atomen und Molekülen in der Atmosphäre und bringen diese dazu, Licht auszusenden.

2. Die Form und Farbe der Aurora

Polarlichter gibt es in einer Vielzahl von Formen und Farben, die von Faktoren wie Energie, Dichte, Verteilung und Richtung geladener Teilchen, Stärke, Richtung und Änderungen des Magnetfelds sowie Zusammensetzung, Dichte, Temperatur und Druck der Atmosphäre abhängen. Auch die Form und Farbe der Aurora verändern sich mit der Zeit und im Raum und bieten eine Vielfalt an schönen und prächtigen Erscheinungen.

2.1 Morphologie

Polarlichter können je nach Morphologie in folgende Typen unterteilt werden:

Gleichmäßiges Polarlicht: Dies ist die häufigste und einfachste Form eines Polarlichts. Es erscheint als ein oder mehrere bogenförmige helle Bänder parallel zum Horizont, die normalerweise stationär sind oder sich langsam bewegen und eine hellgrüne oder hellrote Farbe haben.

Strahlenförmige Lichtsäulen-Aurora: Dies ist eine komplexere und spektakulärere Form der Aurora, die als eine oder mehrere schmale, helle Säulen erscheint, die sich vom Horizont nach oben erstrecken, sich normalerweise schnell bewegen oder aufblitzen und in Farben wie Grün, Rot und Violett auftreten.

Strahlenförmiges Bogenband-Polarlicht: Dies ist ein Polarlichttyp zwischen den ersten beiden, der als ein oder mehrere bogenförmige helle Bänder mit strahlenähnlichen Strukturen erscheint. Sie bewegen oder verändern sich normalerweise langsam und ihre Farben sind Grün, Rot, Lila usw.

Vorhang-Aurora: Dies ist die spektakulärste und komplexeste Form der Aurora. Sie erscheint als ein oder mehrere helle Bänder, die wie Vorhänge senkrecht zum Horizont am Himmel hängen. Sie verändern sich normalerweise schnell oder flackern und ihre Farben sind Grün, Rot, Lila usw. Das helle Band der vorhangartigen Aurora hat viele kleine Strahlen oder Streifen und weist reiche Details und Schichten auf. Das Polarlicht im Vorhang tritt auf, wenn die Polarlichtaktivität am stärksten ist, und es ist auch die Form des Polarlichts, die die meiste Aufmerksamkeit der Menschen auf sich zieht.

2.2 Farbe

Die Farbe der Aurora hängt von der Art und dem Energieniveau der atmosphärischen Atome oder Moleküle ab, die zur Lichtemission angeregt werden, sowie von der Wahrnehmung verschiedener Lichtwellenlängen durch das menschliche Auge. Im Allgemeinen sind die Farben der Aurora wie folgt:

Grün: Grün ist die häufigste und hellste Polarlichtfarbe und wird hauptsächlich durch Licht verursacht, das von Sauerstoffatomen bei einer Wellenlänge von 557,7 Nanometern emittiert wird. Dieses Licht benötigt weniger Energie und tritt daher in geringeren Höhen (etwa 100–250 km) auf.

Rot: Diese weniger verbreitete und schwächere Polarlichtfarbe wird hauptsächlich durch Licht verursacht, das von Sauerstoffatomen bei einer Wellenlänge von 630,0 Nanometern emittiert wird. Dieses Licht benötigt eine höhere Energie und tritt daher in größeren Höhen (ca. 200–500 km) auf. Darüber hinaus kann auch von Stickstoffmolekülen emittiertes Licht mit einer Wellenlänge von 650,4 Nanometern rote Polarlichter hervorrufen, dieses Licht ist jedoch mit bloßem Auge schwer zu erkennen.

Lila: Eine seltenere und schwächere Polarlichtfarbe, die hauptsächlich durch von Stickstoffmolekülen emittiertes Licht mit einer Wellenlänge von 427,8 Nanometern verursacht wird. Dieses Licht benötigt sehr viel Energie und tritt daher in sehr großen Höhen (etwa 400–1000 Kilometer) auf. Violette Polarlichter werden oft mit grünen oder roten Polarlichtern gemischt, um violette oder rosa Farbtöne zu erzeugen.

Blau: Eine sehr seltene und sehr schwache Polarlichtfarbe, die hauptsächlich durch das von Stickstoff-Molekülionen emittierte Licht bei einer Wellenlänge von 391,4 Nanometern verursacht wird. Dieses Licht benötigt extrem viel Energie und tritt daher in extrem großen Höhen (etwa 500–1000 Kilometer) auf. Blaue Polarlichter sind normalerweise nur unter besonderen Bedingungen zu sehen, beispielsweise bei Sonnenstürmen oder koronalen Massenauswürfen.

3. Beobachtung und Einfluss von Polarlichtern

Die Aurora ist ein wunderschönes und geheimnisvolles Naturphänomen, das die Aufmerksamkeit unzähliger Menschen auf sich gezogen und sie dazu inspiriert hat, sie zu erforschen. Das Polarlicht ist für die Menschen nicht nur ein optischer Genuss, sondern bietet ihnen auch eine wichtige Möglichkeit, die Sonnenaktivität und die Umwelt der Erde zu verstehen. Gleichzeitig wird das Polarlicht auch einen gewissen Einfluss auf das Leben und die Aktivitäten der Menschen haben, was sowohl Vor- als auch Nachteile mit sich bringt.

3.1 Beobachtung

Die Beobachtung von Polarlichtern kann auf zwei Arten erfolgen: Bodenbeobachtung und Weltraumbeobachtung. Unter Bodenbeobachtung versteht man die Verwendung bodengestützter Geräte wie Kameras, Teleskope, Radargeräte, Magnetometer usw. zum Fotografieren, Messen und Analysieren der Aurora. Unter Weltraumbeobachtung versteht man den Einsatz künstlicher Satelliten, Raketen, Flugzeuge usw. zum Fotografieren, Messen und Analysieren der Aurora.

Die Vorteile bodengestützter Beobachtungen liegen in den geringen Kosten, der langen Dauer und der großen Abdeckung, die eine Beobachtung des gesamten Bildes und der Einzelheiten der Aurora ermöglichen. Der Nachteil erdgebundener Beobachtungen besteht darin, dass sie von der Atmosphäre, dem Wetter und den Tageslichtbeschränkungen beeinflusst werden, wodurch es unmöglich ist, die Höhe und globale Verteilung der Aurora zu beobachten.

Der Vorteil der Weltraumbeobachtung besteht darin, dass sie nicht von der Atmosphäre, dem Wetter oder den Tageslichtstunden beeinflusst wird und die Höhe und globale Verteilung der Aurora beobachtet werden kann. Die Nachteile der Weltraumbeobachtung liegen in den hohen Kosten, der kurzen Dauer, der geringen Abdeckung und der Unmöglichkeit, das Gesamtbild und die Einzelheiten der Aurora zu beobachten.

Bodenbasierte und weltraumbasierte Beobachtungen ergänzen sich gegenseitig und liefern gemeinsam wichtige Daten und Informationen, die den Menschen helfen, die Geheimnisse der Aurora zu lüften.

3.2 Auswirkungen

Das Polarlicht hat einen unterschiedlich starken Einfluss auf das Leben und die Aktivitäten des Menschen, wobei einige davon vorteilhaft und andere schädlich sind.

Die Aurora hat einen positiven Einfluss auf die menschliche Kultur und Kunst. Die Aurora ist ein wunderschönes und geheimnisvolles Naturphänomen, das den Menschen visuelle Freude bereitet und gleichzeitig ihre Fantasie und Kreativität anregt. Die Aurora nimmt in den Legenden und Mythen verschiedener Regionen und Nationalitäten eine wichtige Stellung ein, beispielsweise als Bifröst in der nordischen Mythologie, als glückverheißende Luft in der alten chinesischen Literatur und als Kitsunebi in der japanischen Folklore. Die Polarlichter dienten auch als Inspiration für zahlreiche Kunstwerke, darunter „Sternennacht“ des Malers Vincent van Gogh, „Feuer und Eis“ des Dichters Robert Frost und „Der Nordstern“ des Musikers John Tavener.

Das Polarlicht hat einen positiven Einfluss auf die menschliche Wissenschaft und Technologie. Das Polarlicht ist ein komplexes und dynamisches Plasmaphänomen, dessen Auftreten mehrere Bereiche betrifft, wie etwa die Sonnenphysik, die Weltraumphysik, die Atmosphärenphysik und die Plasmaphysik. Durch die Beobachtung und Untersuchung der Polarlichter können die Menschen die Wechselwirkungen und Veränderungen zwischen der Sonnenaktivität und der Umwelt der Erde verstehen und so ihre Fähigkeit verbessern, Sonnenstürme, geomagnetische Stürme, Störungen der Ionosphäre und andere Phänomene vorherzusagen und sich davor zu schützen. Gleichzeitig können Menschen durch die Simulation und das Experimentieren mit dem Polarlicht die Mechanismen und Methoden der Plasmalumineszenz und -beschleunigung erforschen und so neue Ideen und Technologien für die menschliche Nutzung von Plasma zur Energiegewinnung und Materialverarbeitung gewinnen.

Die Polarlichter wirken sich negativ auf die menschliche Kommunikation und Navigation aus. Das Polarlicht ist eine starke Quelle elektromagnetischer Störungen und sein Auftreten wirkt sich negativ auf Radiowellen, Satellitensignale, Stromleitungen usw. auf der Erde aus. Das Polarlicht kann dazu führen, dass Radiowellen reflektiert, gebrochen, absorbiert und gestreut werden, was zu Problemen wie Unterbrechungen, Verzerrungen und Rauschen bei der Funkkommunikation führt. Das Polarlicht kann dazu führen, dass Satellitensignale verzögert, verschoben, abgeschwächt oder verloren gehen, was zu Fehlern, Ausfällen und Unterbrechungen bei der Satellitennavigation führt. Das Polarlicht kann Induktion, Überlastung, Kurzschluss und andere Phänomene in Stromleitungen verursachen, was zu Stromausfällen, Schäden, Stromausfällen und anderen Problemen führen kann.

Daher sollten die Menschen, obwohl sie die Schönheit der Aurora bewundern, auch darauf achten, den Gefahren der Aurora vorzubeugen und entsprechende Vorbereitungen und Gegenmaßnahmen treffen.