Wir werfen Licht auf Sonnenwinde: Simulation von Polarlichtern in der Schule Teach article

Übersetzt von Marie-Luise Winz. Polarlichter sind eines der Wunder der Natur. Mit einer einfachen Apparatur können Polarlichter und verwandte Phänomene leicht im Klassenzimmer nachgebildet werden.

Die Polarlichter sind ein markantes Phänomen, das in den Polargebieten beobachtet wird, wo die dünne Luft der oberen Atmosphäre nachts leuchtet und schimmert. Sie werden auch als Nord- und Südlichter bezeichnet. In diesem Artikel erklären wir, wie Polarlichter entstehen, und beschreiben vier Aufgaben – für Schüler im Alter von 14-16 – in denen die Polarlichter und verwandte Phänomene simuliert werden können.

Anders als vielleicht erwartet liegt die eigentliche Ursache der Polarlichter nicht in der Erdatmosphäre, sondern in der Sonne. Die Sonne – unser Stern – gibt auf zwei Arten Energie in den Weltraum ab: als Strahlung, von der wir jeden Tag den sichtbaren Anteil sehen; und als Sonnenwind, der unsichtbar ist, der aber die Polarlichter mit Energie versorgt, wenn er mit der oberen Atmosphäre in Wechselwirkung tritt. Der Sonnenwind besteht aus geladenen Teilchen – Elektronen und Ionen, vor allem Wasserstoff-Ionen (Protonen) – und hat wechselnde Eigenschaften. Seine Geschwindigkeit liegt zwischen ein paar zig und mehreren Tausend Kilometern pro Sekunde, und seine Dichte liegt in der Entfernung, die die Erde von der Sonne hat bei einigen (typischerweise fünf) Elektronen und Protonen pro Kubikzentimeter.

Da er elektrisch geladen ist, reagiert der Sonnenwind leicht auf Magnetfelder. Eine Folge davon ist, dass ein großer Teil der Sonnenwind-Teilchen, die an unserem Planeten vorbeifliegen vom Magnetfeld der Erde (Abbildung 1) eingefangen werden und schließlich zu einem der magnetischen Pole der Erde abgelenkt werden; diese gefangenen Teilchen bilden die Struktur, die als Van-Allen-Gürtel bekannt ist.

Größtenteils liegt der Van-Allen-Gürtel weit oberhalb der Erdoberfläche (ca. 45 000 km am Äquator). An den Polen tritt er jedoch in die Atmosphäre ein: die geladenen Teilchen kollidieren mit der Atmosphäre in einer Höhe von 80-500 km, wo die Luft sehr dünn ist (mit einem Druck von weniger als einigen Zehntel Pascal).

Wie verursacht dies die Polarlichter? Während der Zusammenstöße werden die Atome in der Atmosphäre ionisiert (wenn ein oder mehrere Elektronen ausgestoßen werden) oder angeregt (wenn die Kollision das Energieniveau eines Elektrons zwar erhöht, aber nicht genug um es ganz auszustoßen), und werden dadurch instabil.

Um in ihren normalen Zustand zurückzukehren, müssen die Atome entweder chemische Reaktionen eingehen oder die Energie, die sie gerade aufgenommen haben in Form von Licht abgeben. Wenn dieser Prozess sichtbares Licht erzeugt, nennen wir es Polarlicht. Vom Weltraum aus beobachtet, bilden die nördlichen und südlichen Polarlichter jeweils einen Ring, der als Polarlichtoval bekannt ist, und der die Region abgrenzt, in der der Van-Allen-Gürtel in die Erdatmosphäre eintaucht (siehe Abbildung rechts).

Obwohl wir die Polarlichter am besten von der Erde kennen, sind sie nicht auf unseren eigenen Planeten beschränkt: Astronomen haben Polarlichter auch auf anderen Planeten des Sonnensystems über magnetischen Anomalien beobachtet, vor allem auf Jupiter und Saturn, und sogar Mars.

Das Grundexperiment

Der norwegische Wissenschaftler Kristian Olav Birkeland (1867-1917) war der erste, der eine als Terrella (‚kleine Erde‘) bekannte, kleine, magnetisierte Kugel benutzte um den Mechanismus der Polarlichter zu zeigen. In einer Vakuumkammer produziert eine Kathode, die die Sonne darstellt einen Elektronenstrom (den Sonnenwind, obwohl in Wirklichkeit Elektronen nur eine der Komponenten des Sonnenwindes darstellt), während die Terrella (die Anode) diesem Wind ausgesetzt wird und sich wie ein Planet oder anderer Körper des Sonnensystems verhält. Dieser Aufbau kann wie unten beschrieben variiert werden, um eine Reihe anderer physikalischer Phänomene zu veranschaulichen.

Die Ausrüstung kann mit Materialien, die in der Schule oft vorhanden sind innerhalb von ca. 10 Stunden einfach nachgebaut werden. Der grundsätzliche Aufbau ist in Abbildung 2 gezeigt; eine detaillierte Anleitung^w1 kann von derScience in School Internetseite heruntergeladen werden.

Aufgabe 1: Ein Polarlicht und den Val-Allen-Gürtel simulieren

In diesem Experiment, das dem von Birkeland ähnelt, simulieren wir das Polarlicht und den Van-Allen-Gürtel. Die Gerätschaft sollte so aufgebaut werden, dass die Elektrode, die vom Oberteil der Vakuumkammer herabhängt die Kathode ist, die die Sonne darstellt und einen Elektronenstrom (Abbildung 2) erzeugt. Die magnetische Kugel ist die Anode, die die Erde darstellt. Ihre Magnetachse sollte sich im rechten Winkel zum Elektronenstrom befinden.

Die Elektronen (‘Sonnenwind’) werden von der Hülle der Kugel (‘Erde’, der Anode) angezogen. Dabei kollidieren sie mit Gasatomen, da in der Kammer kein perfektes Vakuum herrscht. Wir werden dies an einem Leuchten um die Kugel herum erkennen. Die Elektronen bewegen sich zu den Polen der Kugel und machen dann einen Bogen, der den magnetischen Feldlinien folgt; wir sehen dies als leuchtende Ringe um jeden Pol herum (Abbildung 3).

Wie verhält sich diese Simulation zur Realität? Das generelle Leuchten um die magnetische Kugel stellt den Van-Allen-Gürtel dar, der in Wirklichkeit nur an den Polen sichtbar ist, wo er in die Erdatmosphäre eindringt. In unserer Simulation stellt unser ‚Van-Allen-Gürtel‘ das gesamte Magnetfeld der ‚Erde‘ dar, da sich überall in der Vakuumkammer eine kleine Menge Gas befindet.

Die hellen Ringe um jeden Pol herum in unserer Simulation stellen die Auroraovale dar. Wie in der Wirklichkeit werden sie von einer hohen Zahl Elektronen hervorgerufen, die auf Gasatome treffen (man bedenke, dass die Magnetfeldlinien an den Polen dichter beieinander liegen).

Die Farben in der Simulation unterscheiden sich jedoch von denen, die man am häufigsten bei den Nord- oder Südlichtern sieht. Die hellsten Farben in den Polarlichtern der Erde (grün und rot) werden von atomarem Sauerstoff hervorgerufen, der nur in der oberen Atmosphäre zu finden ist. Die Farben in unserer Simulation (lila, rot, pink und weiß) sind nur in Polarlichtern in geringerer Höhe vorhanden, wo molekularer Sauerstoff und Stickstoff reichlich vorhanden sind. Diese Farben sind nur wenige Male pro Jahrzehnt zu sehen, wenn der Sonnenwind mit besonders hoher Geschwindigkeit in die Erdatmosphäre eindringt.

Aufgabe 2: Die Lorentzkraft veranschaulichen

Im vorherigen Experiment war die Kugel die Anode und stellte die Erde da, während die andere Elektrode einen Stern (die Sonne) darstellte. In diesem Experiment vertauschen wir nun diese beiden, indem wir die Kugel als Kathode benutzen um die Auswirkungen des Sonnenwindes um einen Stern herum zu sehen. Wenn wir dies tun, sehen wir einen hellen Ring um den Äquator des ‚Sterns‘ herum (Abbildung 4).

Was passiert dort? Die Elektronen umkreisen den magnetischen Äquator der Kugel unter dem Einfluss der Lorentzkraft (auch bekannt als Laplacekraft), die entsteht wenn geladene Teilchen sich in einem Magnetfeld bewegen. Die Kraft ist im rechten Winkel sowohl zu der Richtung des Teilchens, als auch zum Magnetfeld ausgerichtet und bewirkt daher, dass das Teilchen um die Magnetfeldlinie herum rotiert. Dies erzeugt einen stellaren Ringstrom.

Wie verhält sich diese Simulation zur Wirklichkeit? Um die Sonne herum gibt es keinen Ringstrom, da deren Magnetfeld nicht stark genug ist. Es ist dennoch möglich, dass Ringe um andere Sterne mit stärkerem Magnetfeld existieren. Diese können jedoch mit der heutigen Teleskoptechnologie nicht beobachtet werden, da die Sterne selbst viel heller sind als es der Ringstrom wäre.

Aufgabe 3: Ein Polarlicht auf der Sonne herstellen

Auch in diesem Experiment gehen wir über das hinaus, was in der Natur beobachtet wurde, indem wir ein Polarlicht auf der Sonne herstellen. Wieder ist die Kugel die Kathode. Dieses Mal erhöhen wir die Stärke des Magnetfeldes, indem wir einen stärkeren Magnet und eine Kugel mit dünnerer Wand benutzen (wir haben hier eine Christbaumkugel benutzt). Wenn wir dies tun, sehen wir, dass die Elektronen von der ‚Sonne‘ weggeblasen werden, aber ein Teil dieses ‚Sonnenwindes‘ fällt dann, entlang ihrer Magnetfeldlinien auf die Sonne zurück und bildet einen eindrucksvollen Lichtkreis an dem Pol, der der Anode am nächsten ist, wie in Abbildung 5 zu sehen ist.

Spiegelt dies die Wirklichkeit wider? Basierend auf unserem Verständnis der Sonne und der Sonnenwinde sagen Wissenschaftler voraus, dass eine Aurora um die Sonne existieren sollte, aber dass wir sie nicht beobachten können, da die Sonne zu hell und zu weit entfernt ist.

Aufgabe 4: Sonne und Erde gleichzeitig simulieren

Bisher haben wir in unseren Experimenten entweder ein Modell der Sonne oder der Erde allein erstellt, wobei die jeweils andere von einer einfachen Elektrode repräsentiert wurde. Dennoch ist es auch möglich, beide Körper gleichzeitig mit Kugeln darzustellen. In dieser Aufgabe platzieren wir daher zwei magnetische Kugeln in der Vakuumkammer (Abbildung 6) um mehrere Phänomene im Zusammenhang mit der Wechselwirkung zwischen Sonne und Erde zu erklären. Für die Sonne nehmen wir die Kugel aus Aufgabe 3 (z.B. eine Christbaumkugel mit einem Magneten im Inneren) als Kathode, und einen kleineren, kugelförmigen Magneten, der die Erde darstellt, als Anode.

Wir sehen ein Leuchten um die gesamte ‘Sonne’ herum (Abbildung 7A), ähnlich dem generalisierten Leuchten um die ‘Erde’ in Aufgabe 1. Dieses Mal jedoch stellt das Leuchten die Korona der Sonne dar. Die Sonnenkorona ist die Erweiterung des Sonnenwindes, der den Stern verlässt, und ist von der Erde aus nur während Sonnenfinsternissen sichtbar; die restliche Zeit wird sie von der Sonnenoberfläche überstrahlt. In Wirklichkeit wird die Bildung der Sonnenkorona nicht nur vom Sonnenwind, sondern auch von der Temperatur und der magnetischen Konfiguration der Sonne beeinflusst. Daher ist unsere ‚Korona‘ eher eine Analogie als eine Simulation.

Der simulierte Sonnenwind bewegt sich von der Sonne (Abbildung 7A) durch den interplanetaren Raum zur Erde (B). Dort bewirkt er sowohl eine leuchtende Hülle um den Planeten (den Van-Allen-Gürtel), wie zuvor in Aufgabe 1, als auch leuchtende Ringe um die Pole (die Auroraovale). In Abbildung 7 ist das nördliche Auroraoval (C) deutlich sichtbar und das südliche ist von einem Teil der Apparatur verdeckt.

Wir können auch helle Lichtfontänen an den Auroraovalen erkennen (Abbildung 7D, E, und F). Diese Fontänen existieren auch in der Wirklichkeit und sind als polare ‚Cusps‘ bekannt. In unserer Simulation sind sie das Ergebnis davon, dass die Magnetfelder beider Kugeln direkt miteinander verbunden sind: die Elektronen bewegen sich entlang der verbindenden Magnetfeldlinien. In der Wirklichkeit ist die Erklärung etwas komplexer: die Magnetfelder von Sonne und Erde sind nicht direkt miteinander verbunden, sondern sind durch das interplanetare Magnetfeld verbunden, das in den Sonnenwind eingebettet ist.

Entgegen unserer Simulation sind in Wirklichkeit die Auroraovale heller als die polaren ‚Cusps’. Das liegt daran, dass die Beschleunigung der geladenen Teilchen, die die Auroraovale erzeugen wächst wenn sie in das Erdmagnetfeld eindringen. Das wiederum erhöht die Energie und Geschwindigkeit der Teilchen erhöht und macht das Polarlicht heller. In der Simulation bewegen sich die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit.