Letzte Woche schickte eine riesige Sonneneruption eine Welle energiereicher Teilchen von der Sonne durch den Weltraum. Am Wochenende erreichte die Welle die Erde und Menschen auf der ganzen Welt genossen den Anblick ungewöhnlich lebhafter Polarlichter auf beiden Hemisphären.
Während das Polarlicht normalerweise nur in der Nähe der Pole sichtbar ist, wurde es dieses Wochenende bis nach Hawaii auf der Nordhalbkugel und bis nach Mackay im Süden gesichtet.
Dieser spektakuläre Anstieg der Polarlichtaktivität scheint beendet zu sein, aber machen Sie sich keine Sorgen, wenn Sie es verpasst haben. Die Sonne nähert sich dem Höhepunkt ihres 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus und im Laufe des nächsten Jahres werden wahrscheinlich wieder Perioden intensiver Polarlichter auftreten.
Wenn Sie das Polarlicht oder eines der Fotos gesehen haben, fragen Sie sich vielleicht, was genau los war. Was macht das Leuchten und die verschiedenen Farben aus? Bei der Antwort dreht sich alles um Atome, wie sie erregt werden – und wie sie sich entspannen.
Wenn Elektronen auf die Atmosphäre treffen
Die Polarlichter werden durch geladene subatomare Teilchen (hauptsächlich Elektronen) verursacht, die in die Erdatmosphäre einschlagen. Diese werden ständig von der Sonne emittiert, in Zeiten höherer Sonnenaktivität gibt es jedoch mehr.
Der größte Teil unserer Atmosphäre ist durch das Erdmagnetfeld vor dem Zustrom geladener Teilchen geschützt. Aber in der Nähe der Pole können sie sich einschleichen und Chaos anrichten.
Die Erdatmosphäre besteht zu etwa 20 % aus Sauerstoff und zu 80 % aus Stickstoff sowie einigen Spuren anderer Stoffe wie Wasser, Kohlendioxid (0,04 %) und Argon.
Luca Argalia/Flickr, CC BY-NC-SA
Wenn Hochgeschwindigkeitselektronen in der oberen Atmosphäre auf Sauerstoffmoleküle prallen, spalten sie die Sauerstoffmoleküle (O₂) in einzelne Atome. Auch das ultraviolette Licht der Sonne bewirkt dies, und die erzeugten Sauerstoffatome können mit O₂-Molekülen reagieren und Ozon (O₃) erzeugen, das Molekül, das uns vor schädlicher UV-Strahlung schützt.
Im Fall des Polarlichts befinden sich die erzeugten Sauerstoffatome jedoch in einem angeregten Zustand. Dies bedeutet, dass die Elektronen der Atome instabil angeordnet sind und sich „entspannen“ können, indem sie Energie in Form von Licht abgeben.
Was gibt grünes Licht?
Wie Sie in Feuerwerkskörpern sehen können, erzeugen Atome verschiedener Elemente unterschiedliche Lichtfarben, wenn sie mit Energie versorgt werden.
Kupferatome erzeugen ein blaues Licht, Barium ist grün und Natriumatome erzeugen eine gelb-orange Farbe, die Sie möglicherweise auch bei älteren Straßenlaternen gesehen haben. Diese Emissionen sind durch die Regeln der Quantenmechanik „erlaubt“, was bedeutet, dass sie sehr schnell erfolgen.
Wenn sich ein Natriumatom in einem angeregten Zustand befindet, bleibt es dort nur etwa 17 Milliardstel Sekunden, bevor es ein gelb-oranges Photon abfeuert.
Aber im Polarlicht werden viele der Sauerstoffatome in angeregten Zuständen erzeugt, in denen es keine „erlaubte“ Möglichkeit gibt, sich durch Lichtemission zu entspannen. Dennoch findet die Natur einen Weg.
AAP Image/Ethan James
Das grüne Licht, das die Polarlichter dominiert, wird von Sauerstoffatomen emittiert, die sich von einem Zustand namens „¹S“ in einen Zustand namens „¹D“ entspannen. Dies ist ein relativ langsamer Vorgang, der im Durchschnitt fast eine ganze Sekunde dauert.
Tatsächlich ist dieser Übergang so langsam, dass er bei dem Luftdruck, den wir am Boden haben, normalerweise nicht stattfindet, weil das angeregte Atom durch den Zusammenstoß mit einem anderen Atom Energie verloren hat, bevor es die Chance hat, ein schönes Grün auszusenden Photon. Aber in den oberen Bereichen der Atmosphäre, wo ein geringerer Luftdruck und daher weniger Sauerstoffmoleküle herrschen, haben sie mehr Zeit, bevor sie aufeinanderstoßen, und haben daher die Chance, ein Photon freizusetzen.
Aus diesem Grund dauerte es lange, bis Wissenschaftler herausfanden, dass das grüne Licht des Polarlichts von Sauerstoffatomen stammte. Das gelb-orange Leuchten von Natrium war bereits in den 1860er-Jahren bekannt, aber erst in den 1920er-Jahren fanden kanadische Wissenschaftler heraus, dass das Polarlichtgrün auf Sauerstoff zurückzuführen ist.
Was macht das rote Licht?
Das grüne Licht kommt von einem sogenannten „verbotenen“ Übergang, der auftritt, wenn ein Elektron im Sauerstoffatom einen unwahrscheinlichen Sprung von einem Orbitalmuster zum anderen ausführt. (Verbotene Übergänge sind viel weniger wahrscheinlich als erlaubte, was bedeutet, dass sie länger dauern.)
Doch selbst nach der Emission dieses grünen Photons befindet sich das Sauerstoffatom in einem weiteren angeregten Zustand ohne erlaubte Entspannung. Der einzige Ausweg besteht über einen weiteren verbotenen Übergang vom ¹D- in den ³P-Zustand – der rotes Licht aussendet.
Dieser Übergang ist sozusagen noch verbotener und der ¹D-Zustand muss etwa zwei Minuten überleben, bevor er endlich die Regeln brechen und rotes Licht abgeben kann. Da es so lange dauert, erscheint das rote Licht nur in großen Höhen, wo es selten zu Kollisionen mit anderen Atomen und Molekülen kommt.
Da es dort oben nur so wenig Sauerstoff gibt, erscheint das rote Licht außerdem nur in intensiven Polarlichtern – wie denen, die wir gerade hatten.
Deshalb erscheint das rote Licht über dem grünen. Während beide ihren Ursprung in verbotenen Relaxationen von Sauerstoffatomen haben, wird das rote Licht viel langsamer emittiert und hat eine höhere Wahrscheinlichkeit, durch Kollisionen mit anderen Atomen in geringeren Höhen ausgelöscht zu werden.
Andere Farben und warum Kameras sie besser sehen
Während Grün die am häufigsten im Polarlicht zu sehende Farbe ist und Rot die zweithäufigste Farbe, gibt es auch andere Farben. Insbesondere ionisierte Stickstoffmoleküle (N₂⁺, denen ein Elektron fehlt und die eine positive elektrische Ladung haben) können blaues und rotes Licht aussenden. Dies kann in geringer Höhe zu einem magentafarbenen Farbton führen.
Alle diese Farben sind mit bloßem Auge sichtbar, wenn das Polarlicht hell genug ist. Allerdings erscheinen sie im Kameraobjektiv intensiver.
Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens haben Kameras den Vorteil einer Langzeitbelichtung, was bedeutet, dass sie mehr Zeit damit verbringen können, Licht zu sammeln, um ein Bild zu erzeugen, als es unseren Augen möglich ist. Dadurch können sie auch bei dunkleren Lichtverhältnissen fotografieren.
Der zweite Grund ist, dass die Farbsensoren in unseren Augen im Dunkeln nicht besonders gut funktionieren – daher neigen wir dazu, bei schlechten Lichtverhältnissen in Schwarzweiß zu sehen. Bei Kameras gibt es diese Einschränkung nicht.
Aber kein Grund zur Sorge. Wenn das Polarlicht hell genug ist, sind die Farben mit bloßem Auge deutlich sichtbar.
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