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Plasmawellen können feine Muster im Polarlicht auslösen
Warum Polarlichter neben großen leuchtenden Bögen auch winzige, bewegliche Strukturen ausbilden, ist noch nicht vollständig geklärt. Eine neue Analyse hochaufgelöster Aufnahmen deutet darauf hin, dass Plasmawellen Elektronen zusätzlich beschleunigen und so feine Leuchtmuster beeinflussen könnten. Der vermutete Mechanismus stammt allerdings aus einer vereinfachten Modellrechnung.
Southampton (England). Polarlichter entstehen, wenn energiereiche Elektronen aus dem erdnahen Weltraum in die obere Atmosphäre eindringen und dort Sauerstoff und Stickstoff zum Leuchten anregen. Am Himmel erscheinen die Lichter als Bögen, Vorhänge oder auffällig feine Streifen, deren Struktur sich innerhalb kurzer Zeit verändern kann.
Wie die Elektronen vor ihrem Auftreffen beschleunigt werden, lässt sich für größere Polarlichtbögen bereits gut erklären. Elektrische Spannungsunterschiede entlang des Erdmagnetfelds können die Teilchen in Richtung Atmosphäre ziehen. Unklarer ist, warum innerhalb solcher Bögen zusätzliche helle, teils gegeneinander wandernde Muster entstehen.
Forscher der University of Southampton um Nicholas William George Brindley haben nun solche fein strukturierten Polarlichter genauer untersucht. Sie wollten herausfinden, ob die Bewegungen der Lichtmuster mit den Energien der einfallenden Elektronen zusammenpassen und was mögliche Abweichungen verraten.
Dazu wertete das Team Aufnahmen des Kamerasystems Auroral Structure and Kinetics (ASK) aus, das am 28. Februar 2017 über Spitzbergen in Norwegen Polarlichter erfasste. Im Mittelpunkt stand ein Abschnitt von 25 Sekunden. Die Kameras lieferten 20 Bilder pro Sekunde und lösten an der angenommenen Leuchthöhe Bereiche von etwa 45 Metern auf.
Die Wissenschaftler berechneten zunächst, wie sich kleine helle Strukturen von Bild zu Bild verschoben. Unter bestimmten Annahmen über die Bewegung des Plasmas ließ sich daraus auf das elektrische Feld schließen. Unabhängig davon schätzten sie aus dem Helligkeitsverhältnis von Sauerstoff- und Stickstoffemissionen die Energie der Elektronen ab, die das Leuchten auslösten.
Die zweite Auswertung setzte voraus, dass ein U-förmiges elektrisches Potential die Elektronen beschleunigt. Bei diesem Modell lenkt eine räumlich gekrümmte Spannungsverteilung die Teilchen entlang des Erdmagnetfelds zur Atmosphäre. Wenn diese Erklärung ausreicht, sollten die beiden voneinander verschiedenen Berechnungen ähnliche elektrische Felder ergeben.
Tatsächlich stimmten die beiden Feldabschätzungen weitgehend überein. Das spricht dafür, dass die bekannten U-förmigen Spannungsstrukturen für den untersuchten Polarlichtbogen eine wichtige Rolle spielten. An einer Seite des Bogens zeigten sich allerdings höhere Elektronenenergien, als das einfache Potentialmodell anhand der Bewegungen erwarten ließ.
Zeitweise erschien dort ein schwächer leuchtender Nachbarbogen. Seine inneren Muster veränderten sich ähnlich wie diejenigen des helleren Hauptbogens, waren aber anders skaliert. Die Beobachtungen sprechen deshalb für einen zusätzlichen Einfluss auf die Elektronen, der über die rein elektrostatische Beschleunigung hinausgeht.
Als mögliche Erklärung untersuchten die Forscher sogenannte Alfvénwellen. Das sind Störungen in einem elektrisch leitfähigen Plasma, die sich entlang von Magnetfeldlinien ausbreiten. Bestimmte Varianten dieser Wellen können elektrische Felder entlang des Magnetfelds ausbilden und dadurch die Energie geladener Teilchen verändern.