Allgemeine Frage

[Lasse Kemper]

Hallo zusammen!

Ich habe da mal eine allgemeine Frage bezüglich der Polarlichter.
Der Sonnenwind besteht ja meines wissens ( bitte korrigieren wenn's nicht stimmt ) aus Heliumkernen und geladenen Teilchen und wird vom Magnetfeld Polwärts abgelenkt.
Wie tief tritt der Sonnenwind an den magn. Polen in die Atmosphäre ein? Und ist am magnetischem Nord/Südpol die Strahlenbelastung höher?

Vielen Dank im voraus.

P.s.: Bin neu hier... Ein großes Lob an alle Betreiber dieser wunderbaren Seite

[Dirk L]

Lasse:

Der Sonnenwind besteht im wesentlichen aus Protonen (Wasserstoffkernen) und Elektronen. Es finden sich auch gelegentlich ein paar alpha-Teilchen (Heliumkerne) und sogar schwerere Ionen. Alle diese Elementarteilchen haben elektrische Ladung, es gibt so gut wie keine Neutralgasteilchen im Sonnenwind.

Ein winziger Anteil des Sonnenwindes, der mit dem Erdmagnetfeld in Kontakt kommt, wird tatsaechlich so umgelenkt, dass die Sonnenwind Ionen und Elektronen auf die Erdatmosphaere treffen. Das passiert in einer recht kleinen Stelle (ein paar hundert km Durchmesser), die wir "cusp" nennen. Dort verursachen diese Teilchen dann sogar eine kleine Aurora, die allerdings sehr diffus und so duester ist dass sie in der Regel nur mit empfindlichen Instrumenten entdeckt werden kann.

Die Sonnenwind Ionen und Elektronen haben nicht sonderlich viel Energie (verglichen mit Aurora Elektronen und Ionen), und dringen daher nicht sonderlich tielf in die obere Atmosphaere ein, bis ca 200 km oder so ist das meistens.

Die hohe Strahlenbelastung an den Polen hat andere Ursachen: wenn es auf der Sonne groessere Eruptionen sind, gibt es "Solar Energetic Proton Events". Das sind relativistische Protonen (d.h. die haben sehr viel Energie), und die werden dann an der Erde vom Magnetfeld in die hohen Breiten bis in die Atmosphaere hinein gelassen. Mittlere und equatoriale Breiten werden vom Erdmagnetfeld abgeschirmt. Diese Protonen koennen bis auf die Hoehe von Flugzeugen eindringen, und versusachen dann Roentgenstrahlung durch Kollisionen mit lokalen Atmosphaeren-Molekuelen.

Protonen mit noch mehr Energie kommen aus der Galaxie zu uns. Diese Protonen koennen genug Energie haben, um bis zum Erdboden durchzuschlagen. Diese Teilchen nennt man "Cosmic Rays". Das Erdmagnetfeld ist nicht stark genug, um uns davor zu schuetzen, und die cosmic rays treffen ueberall auf der Erde ein. Allerdings in recht kleiner Zahl. Es sind schon cosmic rays beobachtet worden, die millionenfach mehr Energie haben als das was in den groessten Teilchenbeschleunigern erzeugt werden kann.

--Dirk L

[Torsten Serian Kallweit]

Ergänzt werden sollte vielleicht noch, dass die Sonnenwindteilchen, die durch das irdische Magnetfeld im hohen Norden und Süden Richtung magnetischer Pol abgelenkt werden und Richtung Erde driften, in den Strahlengürteln der Erde in komplexen Prozessen sehr stark beschleunigt werden und dann in der Form des uns so geliebten Polarlichtovals im Norden und Süden der Erde in die Atmosphäre eindringen. Innerhalb dieser Polarlichtovale dringen die Teilchen dann zwischen ~70 und 800km in die Erdatmosphäre ein und erzeugen das für uns sichtbare Polarlicht.
Aktuelle Polarlichtovale mit Aktivitätshinweisen hier sehr schön:
http://www.gedds.alaska.edu/auroraforec ... rtTerm.asp

[Dirk L]

Es juckt mich seit Tagen in den Fingern, ob ich nun auf Torsten's Ergaenzung antworten soll oder nicht.....

Es ist ein weit verbreitetes Maerchen, dass die Aurora von Sonnenwindteilchen erzeugt wird, und ich denke ich sollte das hier in diesem Forum richtigstellen. Es sind nicht Sonnenwind-Elektronen die die Aurora verursachen, sondern Magnetosphaerische Elektronen.

Es ist natuerlich richtig, dass die meisten Elektronen in der Magnetosphaere irgendwann aus dem Sonnenwind gekommen sind. Aber zu sagen dass Sonnenwind Elektronen die Aurora verursachen ist so als wenn ich sagen wuerde, dass in Deutschland das Leitungswasser aus dem Atlantik kommt. Das stimmt irgendwie auch, aber ist dennoch nicht richtig: das Atlantikwasser verdunstet, wird als Wolke nach Europa transportiert, regnet auf den Boden, versickert ins Grundwasser, und wird dann in eine Wasserleitung eingespeist.

Der Sonnenwind stellt lediglich die Energie zur Verfuegung. Die Aurora-Elektronen kommen aus dem innersten Teil der Magnetospaere, wo so gut wie gar kein Kontakt zum Sonnenwind existiert. Hier ist eine Skizze der Magnetosphaere, wo das vielleicht klar wird:



Da wo "Neutral Sheet" steht, da kommen die Aurora Elektronen her. Die gelben Pfeile links symbolisieren den Sonnenwind, der bleibt ausserhalb der Magnetopause (der Grenze zwischen Magnetotail und Magnetosheath in der Skizze. Nur in den winzigen Gebieten entland der Dipolachse (weiss schraffiert "Polar Cusp") kann der Sonnenwind direkt auf die Atmosphaere treffen. Aber die Teilchen im Sonnenwind haben so wenig Energie, dass sie selbst dort kaum Aurora erzeugen, nur ein ganz schwaches und diffuses rotes Gluehen kann man mit entsprechend empfindlichen Geraeten sehen. Die meiste Aurora in der Umgebung der Cusp stammt von Sonnenwindteilchen die in den Schloten der Cusp nachbeschleunigt werden.

Die Strahlungsguertel (van Allen Belts) sind uebrigens so weit innen in der Magnetosphaere, dass die Feldlinien die daher kommen auf der dem Equator zugewandten Seite des Aurora-Ovals auf die Atmosphaere treffen. Die erzeugen auch keine sichtbare Aurora, sondern auch nur einen sehr schwachen und sehr diffusen Schein (allerdings gruen weil die Teilchen hohe Energie haben - sind bloss sehr wenig Teilchen, im Vergleich zu sichtbarer Aurora).

Die Beschleuning der Aurora-Elektronen findet in wenigstens zwei Stufen statt (so genau weiss das noch keiner, deswegen starten wir ja gelegentlich mal Satelliten und beschaeftigen Wissenschaftler die sich ueber sowas den Kopf zerbrechen). Als erstes wird ein Strom erzeugt, etwa dort wo auf der Skizze eine scharfe Kurve in den Feldlinien in der Neutral Sheet ist. Der fliesst dann entlang den Feldlinien, breitet sich in 3-D in Ost und West Richtung aus, und fliesst in die obere Atmosphaere wo sich dann das Aurora-oval anfindet. So etwa 5-10.000 km oberhalb der Atmosphaere (1-2 Erdradien) findet dann die eigentliche Elektronenbeschleunigun statt.

--Dirk L

[Lasse Kemper]

Da wo "Neutral Sheet" steht, da kommen die Aurora Elektronen her. Die gelben Pfeile links symbolisieren den Sonnenwind, der bleibt ausserhalb der Magnetopause (der Grenze zwischen Magnetotail und Magnetosheath in der Skizze)

Dann verstehe ich aber nicht wie die Teilchen trotzdem aus dem Sonnenwind stammen können, wo sie doch gar keinen Kontakt zu der dargestellten Zone haben. Wo kommen die Elektronen her?

(allerdings gruen weil die Teilchen hohe Energie haben - sind bloss sehr wenig Teilchen, im Vergleich zu sichtbarer Aurora)

Ich dachte die Farbgebung eines Polarlichts hängt mit dem Teilchen der Atmosphäre zusammen, mit dem es reagiert und nicht von der Geschwindigkeit. Stimmt das nicht?

[Dirk L]

Die Elektronen in der Magnetosphaere (einschliesslich der "Neutral Sheet") stammen zum Teil aus der Erdatmosphaere, und zum Teil aus dem Sonnenwind. Der Transport von Sonnenwind Elektronen in die Magnetosphaere hat zwei Mechanismen zur Verfuegung: Reconnection und Kelvin Helmholtz.

Reconnection verknuepft Sonnenwind Magnetfeld direkt mit dem Erdmagnetfeld, und entlang dieser direkt verbundenen Feldlinien kann Plasma (Elektronen und Protonen) in die Magnetosphaere eindringen. Plasma kann nicht quer zum Magnetfeld fliessen, immer nur entlang der Feldlinien. Wenn es mit Gewalt quer zum Feld bewegt wird, dann bewegt sich einfach das Magnetfeld mit dem Plasma mit. Das nennt sich dann "eingefrorenes Magnetfeld".

Kelvin Helmholtz Instabilitaet ist derselbe Vorgang der Wellen auf dem Wasser erzeugt, wenn Wind weht: der Sonnenwind weht ueber die Magnetosphaerenoberflaeche, und wenn es die richtigen Bedingungen sind (anders als bei Wasserwellen spielt hier auch das Magnetfeld noch eine Rolle), dann gibt es Wellen. Die koennen genau wie Wasserwellen instabil werden und "brechen". So wie bei Wasserwellen dann Luft (Schaum) ins Wasser eindringt, kann so das Sonnenwindplasma in die Magnetosphaere eindringen.

Die Farbe des Polarlichts haengt, wie Du schreibst, von dem Neutralgas der Erdatmosphaere ab. Die Zusammensetztung der Atmosphaere aendert sich mit der Hoehe: Atomarer Sauerstoff ist leichter als molekularer Stickstoff, und daher sammelt sich atomarer Sauerstoff in groesseren Hoehen an. Je nachdem, wie tief die Aurora Elektronen nun in de Atmosphaere eindringen, finden sie eine andere Luftzusammensetzung vor, und erzeugen daher auch andere Farben. Und es haengt von der Energie der Aurora Elektronen ab, wie tief sie eindringen. Zusaeztlich spielt der Luftdruck noch eine Rolle, denn manche (insbesondere Sauerstoff) Emissionslinien existieren nur bei extrem niedrigen Druck. Sowohl die rote, als auch die gruene Auroralinie ist davon betroffen. Der Luftdruck unterhalb von ca 200 km verhindert die Emission der roten Linie, der Luftdruck unterhalb von ca 90 km verhindert die gruene Linie. Deswegen hat extrem energiereiche Aurora eine lila Unterkante: dort kann das gruene Licht nicht mehr erzeugt werden, und wir sehen lediglich Stickstoffemissionen. Die sind blau und rot, sodass es fuer unsere Augen lila aussieht.

Ich benutzte diese Hoehenabhaengigkeit oft in der Aurora Beobachtung: mit einem Spektrographen laesst sich die relative Verteilung der verschiedenen Spektrallinien feststellen, und davon kann man dann die Hoehe der Emission bestimmen. Und davon kann man wiederrum die Energie der urspruenglichen Aurora Elektronen ausrechnen.

--Dirk L

[Lasse Kemper]

Vielen Dank für die ausführliche Erklärung Dirk. Dies beantwortet meine Fragen zu 100%.

Grüße ins schöne Alaska und frohe Ostern!