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Entstehung und Deutung von Polarlichtern - Referat
Atomphysik am Himmel über Brandenburg – Entstehung und Deutung von Polarlichtern – Wie lassen sich die Polarlichter am Himmel über Brandenburg erklären?
Allgemeines zu Polarlichtern:
Polarlichter sind faszinierende Lichterscheinungen, die man meistens am Nord- und Südpol beobachten kann. Es gibt sehr helle, aber auch blasse oder flimmernde Lichter und so ist jedes auftauchende Licht einzigartig.
Der fachliche Name „Aurora“ ist lateinisch und heißt so viel wie „Dämmerung“, welcher auch heute noch die Polarlichter beschreibt, stammt aus der Sprache älterer Völker. Dabei wird "Aurora borealis" umgangssprachlich als „Nordlicht“ bezeichnet, wo hingegen "Aurora australis" das „Südlicht“ beschreibt.
Das Ganze findet mehrere Stunden lang über der Erde und über den Wolken statt. Jedes Polarlicht ist individuell und doch haben sie einen ähnlichen Verlauf.
Anfangs sind sie meistens weich mit einem grünen Bogen der sich ausbreitet und an Helligkeit und Größe zunimmt. Dann kommen rote und grüne Strahlen dazu und gemeinsam bilden sie ein langgezogenes und gewelltes Band am Himmel. Viele hören leise Töne und nach Vollendung ist oft ein Wetterumschwung zu erwarten.
Am Häufigsten erscheint der „ruhige Bogen“, der einen Bogen von Westen nach Osten darstellt und die Sterne noch am Nachthimmel ersichtlich sind. Trotzdem bewegt er sich viel und ist hauptsächlich in grün, lila und rot zu sehen oder weiß an dem Punkt wo das Licht zusammenzulaufen scheint.
Manchmal tritt ein Polarlicht auch in Spiralenform oder Vorhangsform auf. Sie ändern innerhalb kürzester Zeit Farbe und Formen, was durch die geometrischen Formen verursacht wird. In Europa gibt es eher selten Polarlichter, wenn dann aber eher ein diffuses welches schnell erblasst.
Gliederung
1 Allgemeines zu Polarlichtern
2 Geschichte
2.1 Erzählung 1
2.2 Erzählung 2
2.3 Gemeinsamkeiten in der Erzählung
3 Physikalische Entstehung von Polarlichtern
3.1 Sonnenwind
3.2 Der Weg zur Erde
3.3 Veränderung des Magnetfeldes
3.4 Emission und Absorption
3.4.1 Die verschiedenen Farben
4 Geografische Betrachtung
4.1 Sichtung in Brandenburg
4.2 Auswirkungen auf das menschliche Leben
4.3 Physikalische Erklärung der veränderten Lage
5 Zusammenfassung
Geschichte:
Polarlichter existieren seit Jahrtausenden und haben die Menschen schon immer beschäftigt, was aus der Vielzahl an Material wie Bilder, Schriften und Geschichten ersichtlich wird.
Während Polarlichter heute zum größten Teil erforscht sind, da man sie physikalisch erklären kann, kann man aber zum Beispiel noch keine Voraussagungen treffen kann oder die dabei entstehenden Geräusche erklären. Vor den wissenschaftlichen Forschungen haben sich die Stämme und Völker Mythen, Sagen und Geschichten von Polarlichtern erzählt, um sich dieses Himmelsphänomen zu erklären.
Das meiste Material stammt aus dem 19. und 20. Jahrhundert.
Da sich diese Sachen erzählt und mündlich bis heute weitergetragen wurden, wandelt sich die heutige Version natürlich etwas von den ursprünglichen ab.
Einer der Stämme mit den meisten Überlieferungen sind die Ottawa Indianer im Norden. Sie glaubten daran, dass es ein Zeichen ihres Gottes Nanboozho ist. Er sollte die Menschheit somit an die Fürsorge der Toten, die in den Himmel aufsteigen, erinnern.
Inuits sehen sie als fröhliche Gestalten, die im Himmel Ball spielen, wobei die unterschiedlichen Farben eine Rolle spielen.
1. Erzählung:
stammt aus Kanada aus dem heutigen Staat Victoria, erzählt vom deutschen Religionsforscher Helmut Petri
Der damaliger Kurnai-Stamm hatte Angst und nahm die einzigartigen Lichter, die sie als Feuer zwischen Himmel und Erde beschrieben, sehr ernst und entwickelten demnach entsprechende Rituale. Sie fanden, dass es so aussieht, als ob Menschen in diesem Feuer ertrinken und wollten dieses auslöschen, indem sie Hände Toter schwangen. Außerdem beteten sie ihren damaligen Gott Mungan an, und bitteten, die Menschen nicht zu verbrennen und damit aufzuhören, da sie das Licht als Zeichen seiner Wut interpretierten. Das Volk nahm es sogar so ernst, dass die alles dafür taten, um die menschliche Rasse zu erhalten und dazu gehört zum Beispiel auch mehr Nachwuchs.
2. Erzählung:
in den 1950ern, stammt aus Inselgruppe Neuseelands, erzählt von australischen Kulturforscher Alexander Wyclif Reed
Auch der Recht bekannte Maori-Stamm, nachdem eine Gruppe von Tattoos benannt ist und welche als besonders aggressiv galten, berichteten davon. Sie sahen das Licht ähnlich, als eine Reflexion eines Feuers, welches von Vorfahren gezündet wurde, speziell von Seeleuten, die in kalten Gebieten unterwegs waren und sich am dem Feuer an ihre warme Heimat erinnern wollten.
Gemeinsamkeiten in den Erzählungen:
Es gibt noch weitere, teilweise sehr viel detailreichere Erzählungen. Auffällig ist jedoch, dass einige Thesen häufiger beschrieben werden:
-das Himmelsereignis wird als Feuer gesehen. Teilweise fürchteten sich die Menschen davor oder es erweckte Abenteuerlust in ihnen
-das Geschehen wird oft mit einem göttlichen Wesen in Verbindung gebracht welcher gutmütig oder böse sein kann, eine weitverbreitete Art sich damals unbekannte Dinge zu erklären
-Verstorbene im Himmel, die durch das Polarlicht wieder zurück kommen, bei versuchtem Kontakt bekamen die Menschen z.B. Lähmungen oder starben gar daran
-Darstellung von Dingen in der Natur: Eis, Vulkan, Sonne, Fabelwesen, Fische usw.
-Vorhersagen über Wind, Wetter, Fischfang, Kämpfe etc.
Umso größer die Entfernung zu dem Licht war, umso drohender sah es das Volk an. Möglicher Weise haben sie sogar alle einen gemeinsamen Ursprung.
Physikalische Entstehung von Polarlichtern:
Schon immer haben die Menschen die Sonne als entscheidenden Licht- und Wärmespender und somit als Lebensspender angesehen. Doch erst im 20. Jahrhundert wurden die wichtigsten physikalischen Prozesse, die in und auf der Sonne ablaufen, erkannt. Um der Entstehung auf den Grund zu gehen, müssen wir bei der Sonne beginnen. Hier rot dargestellt.
Sonnenwind:
Der Sonnenwind ist ein Strom aus elektrisch geladenen Teilchen (Elektronen, Protonen), die ständig von der Sonne abströmen. Im Sonnenkern werden Protonen zu Helium verschmolzen und dadurch entsteht viel thermische Energie. (Bild) Hier kann man nochmal den Prozess betrachtet werden, wie es am Anfang Protonen sind, die sich dann mit Neutronen verbinden und schließlich zu Helium-Positronen werden.
Die entstandene thermische Energie wird zunächst nach außen transportiert. Über Strahlungszone in die Photosphäre transportiert, die etwa 6000°C heiß ist. Sie gibt die Energie dann weiter in die Sonnenkorona. Wegen der großen Hitze in der Sonnenkorona hat diese Zone eine deutlich geringere Dichte als die anderen Schichten. Von dort aus werden die Dieser „Wanderung der Elektronen“ im Weltraum, nennt man Sonnenwind. Dieser hat etwa eine Geschwindigkeit von 8 Mio. km/h.
Der Weg zur Erde
Die Pro- und Elektronen sind also nun im Weltraum, auf dem Weg zur Erde. Weil es so viele sind, wird es Wind genannt. Diese kühlen auf ihrem Weg ab. Eigentlich würden sie mit dieser großen Energie die Erde sofort zerstört werden, jedoch hat sie zwei natürliche Schutzmechanismen: Die Erdatmosphäre und das Erdmagnetfeld. Dieses entsteht nach aktuellem Forschungsstand durch den flüssigen Eisen-, Nickel- kern im inneren der Erde. Dieser ist genauso heiß, wie der der Sonne, etwa 5000°C. Es wird durch Konvektionskräfte und Corioliskräfte in Bewegung gehalten, wie genau, da sind sich die Forscher aber unsicher. Wahrscheinlich durch weil das heiße Material nach oben steigt und das kühle nach unten. Es entsteht ein Magnetfeld mit Magnetfeldlinien, die von den Polen ausgehen. windungsartig bewegen sich die Pro- und Elektronen an den Magnetfeldlinien entlang. Die Teilchen sind gezwungen, die Magnetfeldlinien zu umkreisen. Wenn sie von der Seite auftreffen, wandern sie entweder zum Nord- oder Südpol. Danach verteilen sie sich wieder. Wohin, ist von der Lorenzkraft abhängig. Nach der linken Hand Regel werden die Elektronen (-) in den Osten und die Protonen (+) in den Westen gelenkt. Es gibt heiße und kalte Elektronen. Die heißen bleiben in der Nähe der Sonne, die kalten Elektronen beschleunigen sich auf dem Weg zu Erde und werden auch heiß. Ähnlich wie ein Dynamo.
Veränderung des Magnetfeldes
Das Erdmagnetfeld ist das Gebiet um die Erde herum. Ohne den Sonnenwind wäre sie symmetrisch, wie wir es von den Feldlinien eines Stabmagneten her kennen. Nach ca. 18 Stunden erreicht der Sonnenwind die Erde. Also hier sieht man praktisch noch einmal das Erdmagnetfeld. Die Gelben Linien stellen den Sonnenwind da, indem die Teilchen enthalten sind.
Auf dem zweiten Bild trennen sich die Magnetfeldlinien auf der Sonnenseite und das Gas strömt auf helle beleuchtete Seite, da entsteht ein Polarlicht, allerdings selten sichtbar, weil es ja tagsüber ist und zu hell.
Die Magnetfelder strecken sich dann wieder zurück auf die andere Seite und verbinden sich dort zu einem Schweif. Wenn dieser sich länger erstreckt, bricht es auseinander, so dass sie von den Magnetfeldlinien angezogen werden und an ihnen entlang, windungsförmig zu den Polen wandern. Dort kann man es dann doch sehen, weil die Dunkelheit zulässt.
Dann gelangen die geladenen Teilchen des Sonnenwindes also nun über die Magnetfeldlinien an die Pole in die Erdatmosphäre.
In der Erdatmosphäre befinden sich dann Stickstoffatome (O) oder Sauerstoffatome (N). Bei 80-100km Höhe ist überwiegend Sauerstoff anzufinden und in 150-600km Höhe überwiegend Stickstoff.
Das schauen und jetzt mal genauer an. Dieser verbinden sich mit den geladenen Teilchen, die ankommen. Dabei geben sie Energie ab, welche als Licht für und sichtbar sind. Das Polarlicht.
Emission und Absorption:
Beim Zusammenstoß wird das Energieniveau der Teilchen angehoben. (Bild) Diese zusätzliche Energie ist nicht vorgesehen und in einem instabilen Zustand, weshalb es wieder in den Grundzustand zurückspricht. Dabei werden Photonen emittiert, welches in Form von Licht wiedergegeben wird und wir dann Himmel beobachten können.
Dieses Verfahren der Lichtemitation wird z.B. auch in dem bekannten Franck-Hertz-Versuch nachgestellt.
Die verschiedenen Farben
Die sind davon abhängig, mit welchen Atomen sich die angeregten Teilchen des Sonnenwindes verbinden. (Tabelle erklären) Die Stickstoffatome sind schwieriger anzuregen, weil sie schwerer sind.
Mit höherer Energie kann ein Elektron weiter in die Atmosphäre eindringen. Das heißt, dass für das grüne Licht am meisten Energie erforderlich und für das rote am wenigsten.
Die einzelnen Lichtquanten haben unterschiedlich lange Wellenlängen. Wenn die Lichtquanten sich also mit Sauerstoff verbinden, was der häufigste Fall ist, wird das Licht grün.
Blaues und Lilanes Licht wird hauptsächlich über Stickstoff erkenntlich.
Geografische Betrachtung
Sichtung in Brandenburg
Eine Umfrage des Marktforschungsunternehmens Onepol ergab, dass ein Viertel der Deutschen eine Auslandsreise machen möchte, um das Naturphänomen zu beobachten. Jedoch lassen sich die Polarlichter auch in Deutschland blicken. Die Lichter waren nahe Lietzen im Landkreis Märkisch-Oderland (Brandenburg) zu sehen. Am Sonntag 23.02.2014 leuchtete es grün über Brandenburg.
Während sie in Ländern wie Skandinavien, Kanada, Alaska und Sibirien mehrmals pro Jahr zu sehen sind, treten sie in Deutschland nur selten auf.
So wie an dem Wochenende im Jahr 2014 im Naturpark Havelland in Brandenburg. Bundesweit gilt der Naturpark Westhavelland, wo das farbige Licht am Himmel zu sehen war, als einer der dunkelsten Orte. Somit erklärt sich auch, warum man es von Berlin aus nicht sehen könnte, weil die Stadt nachts sehr beleuchtet und sehr hell ist.
Auswirkungen auf das menschliche Leben
Auch wenn das Leuchten der Polarlichter uns heute nur als ein besonders faszinierendes Naturschauspiel erscheint, steckt da mehr dahinter. Wissenschaftler sagen, dass das Polarlicht zwar keine Nebenwirkungen hat, jedoch dessen Auslöser, die unzählige Anzahl an Teilchen, die auf die Erde zuströmen.
Die energiereichen, elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwindes und erzeugen elektromagnetische Felder, diese schädigende elektronische Einrichtungen.
Besonders gefährdet sind Satelliten sowie Flugzeuge. Deshalb wird zu Zeiten erhöhter Polarlichtaktivität im Flugverkehr niedriger geflogen oder es werden andere Strecken gewählt, die außerhalb der Polarregionen liegen.
Die elektrischen Ladungen während eines magnetischen Sturmes können bei entsprechender Intensität zum Ausfall ganzer Stromnetze führen. Außerdem kann es in Stromnetzen durch Induktionen zu Spannungsschwankungen kommen. So wurde beispielsweise der Stromausfall in Kanada im Jahre 1989 auf einen starken Sonnenwind zurückgeführt.
Dadurch können auch Radio- und Funkverbindungen gestört werden. Dies macht sich nicht nur durch Störgeräusche bemerkbar, es gab sogar einen Vorfall in Hamburg, es hieß man konnte den Hamburger Taxifunk in Schweden hören.
Elektromagnetische Stürme tragen zudem zu einer kürzeren Lebensdauer von Ölpipelines bei, da diese durch den zusätzlichen Elektronenfluss schneller rosten.
Auswirkungen auf das Wetter und die Gesundheit werden zwar vermutet, konnten aber noch nicht nachgewiesen werden.
Physikalische Erklärung des Vorfalls
Der Grund, warum Polarlichter auch bei uns auftreten können, hängt von der Sonnenaktivität ab.
Die Sonne durchläuft einen Aktivitätszyklus, auch genannt Sonnenfleckenzyklus. Das hängt damit zusammen, dass sich das Magnetfeld der Sonne verändert.
Dieser ist hier zu sehen (Bild). Hier kann man sehen, dass es bereits in 2002 erhöht und ca. 11 Jahre später, in 2014 dann wieder. Durch den Zyklus schwankt also auch die Häufigkeit von Polarlichtern. Das erklärt auch das Polarlicht in Brandenburg in 2014.
Während des Aktivitätsmaximums finden starke Eruptionen auf der Sonne statt. Die erhöhte Aktivität der Sonne bildet Ausbrüche. Die Energie ist einfach zu viel. Dadurch entstehen sogenannte Sonnenflecken, die so aussehen. Bei diesem Vorfall wird natürlich auch mehr Energie in den Weltraum abgegeben und dann kommt natürlich auch mehr bei uns an. Der vorhin erwähnte Sonnenwind wird nun zu einem Sonnensturm. Während der Phase des solaren Maximums in Deutschland können etwa 10 dieser Leuchterscheinungen pro Jahr beobachtet werden.
In den kältesten Winternächten ist die Beobachtung aufgrund des Wetters sehr beschränkt. So ähnlich sieht es für die fehlenden Sommerbeobachtungen aus, denn die Mitternachtssonne im Norden macht die Polarlichtsichtung zu dieser Jahreszeit praktisch unmöglich. Deshalb können Polarlichter in Deutschland während des Aktivitätsmaximums der Sonne beobachtet werden.
(Am Globus zeigen)
Es gibt es das sog. Polarlichtoval um den Nordpol herum. Dort treten Polarlichter am häufigsten auf. In Ländern wie z.B., Skandinavien, Kanada, Alaska und Sibirien. Bei erhöhter Sonnenaktivität kann man diese auch erweitert in Deutschland, Österreich, Schweiz und Italien vorfinden.
Dieses Polarlichtoval ist auf der sonnenzugewandten Seite schmaler, weil auf der Seite die Magnetosphäre zusammengepresst wird. Es ist also immer mit der Sonne mit und ist schmaler auf der Tagesseite.
Zusammenfassung
Also kann man schlussfolgernd sagen, dass sich die Polarlichter, speziell über Brandenburg mit der erhöhten Sonnenaktivität erklären lassen. Also ist es ein ganz natürlicher Prozess, der aber nur selten, etwa alle 11 Jahre stattfindet und man es deshalb nicht als gewöhnlich betrachten sollte. Dies ist natürlich schlecht für uns, denn die unzähligen magnetischen Teilchen die auf die Erde zuströmen, sind nun noch mehr und beeinträchtigen das menschliche Leben. Dies kann allerdings nicht verhindert werde, außer man könnte die Sonnenaktivität erhalten, ohne dass sie sich erhöht, aber das hätte auch Einfluss auf unser Wetter und dies können wir ja bekanntlich nicht bestimmen. Also sollten wir es hinnehmen wie es ist, uns an die natürlichen Prozesse anpassen und uns weiterhin an dem schönen Phänomen Polarlicht erfreuen.
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