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Die majestätischen Auroren haben die Menschen seit Tausenden von Jahren fasziniert, aber ihre Natur - die Tatsache, dass die Lichter elektromagnetisch sind und mit der Sonnenaktivität reagieren - wurde erst in den letzten 150 Jahren realisiert. Dank koordinierter Multi-Satellitenbeobachtungen und einem weltweiten Netzwerk von magnetischen Sensoren und Kameras, wurde eine genauere Studie der Auroren in den letzten Jahrzehnten möglich. Doch weiterhin Auroren, zu mystifizieren weit über dem Boden, einige tanzen, so weit, unentdeckt Rhythmus.

Nordlichter oder Aurora Borealis sind eine der spektakulärsten Sehenswürdigkeiten in der Arktis.  Sie haben die Fantasie der Menschen seit Tausenden von Jahren fasziniert und angespornt.  Sie spielen in den Mythologien der nordischen Völker eine wichtige Rolle.  Bild: Michael Wenger
Nordlichter oder Aurora Borealis sind eine der spektakulärsten Sehenswürdigkeiten in der Arktis. Sie haben die Fantasie der Menschen seit Tausenden von Jahren fasziniert und angespornt. Sie spielen in den Mythologien der nordischen Völker eine wichtige Rolle. Bild: Michael Wenger

Mit den Daten des NASA Projekts THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Teilstürme) haben Wissenschaftler das vibrierende Magnetfeld der Erde in Bezug auf die Nordlichter, die über dem Nachthimmel Kanadas tanzen, beobachtet. THEMIS ist eine Fünf-Sonden Mission für das Verständnis der Prozesse gewidmet, die hinter Auroren stehen, die über dem Himmel in Reaktion auf Veränderungen im Erdmagnetfeld entstehen, in der sogenannten Magnetosphäre. Diese neuen Beobachtungen erlauben Wissenschaftlern direkt spezifische intensive Störungen in der Magnetosphäre mit der magnetischen Antwort auf dem Boden zu verbinden. Ein Artikel mit den Resultaten wurde eben erst in Nature Physics veröffentlicht. "Wir haben vorher ähnliche Beobachtungen gemacht, aber nur an einem Ort zu einem Zeitpunkt - auf dem Boden oder im All", sagte David Sibeck, THEMIS - Projekt Wissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, der nicht an der Studie teilgenommen haben. "Wenn Sie die Messungen in beiden Orten haben, können Sie die beiden Dinge miteinander verbinden."

Je nachdem, ob Elektronen mit Sauerstoff oder Stickstoff kollidieren, ist das resultierende Licht entweder grün oder rot, so dass die Aurora einen wirbelnden Vorhang aus verschiedenen Lichtfarben bildet.  Bild: Michael Wenger
Je nachdem, ob Elektronen mit Sauerstoff oder Stickstoff kollidieren, ist das resultierende Licht entweder grün oder rot, so dass die Aurora einen wirbelnden Vorhang aus verschiedenen Lichtfarben bildet. Bild: Michael Wenger

Zu verstehen, wie und warum Auroren auftreten, hilft uns, mehr über den komplexen Weltraum rund um unseren Planeten zu lernen. Das Sonnensystem wird mit Sonnenwind, dem konstanten Strom von geladenen Teilchen von der Sonne, durchzogen. Der grösste Teil des Sonnenwindes wird von der Erde durch die schützende Magnetosphäre unseres Planeten abgelenkt. Doch unter den richtigen Bedingungen, können einige Sonnenpartikel und Energie die Magnetosphäre durchdringen und das Magnetfeld der Erde stören, genannt ein Teilsturm. Wenn das Magnetfeld des Sonnenwindes nach Süden dreht, zur Tagseite oder der Sonne zugewandten Seite, zieht sich die Magnetosphäre nach innen. Das hintere Ende, der Magnetschwanz genannt, dehnt sich wie ein Gummiband aus. Wenn der gestreckte Magnetschwanz schließlich zurückschnappt, beginnt es zu schwingen, ähnlich wie eine Sprungfeder. Helle Auroren können während dieser Phase der Teilstürme auftreten. In diesem instabilen Umfeld strömen Elektronen im erdnahen All den magnetischen Feldlinien entlang in Richtung Pole hinunter. Dort interagieren sie mit Sauerstoff und Stickstoffpartikeln in der oberen Atmosphäre, was zur Freisetzung von Photonen führt, die Lichtschwaden am Himmel bilden.

Bild eines Querschnitts der Magnetosphäre, mit dem Sonnenwind auf der linken Seite in Gelb und den magnetischen Feldlinien ausgehend von der Erde in Blau. In diesem instabilen Umfeld, strömen Elektronen im erdnahen Weltraum, als weisse Punkte dargestellt, schnell nach unten den magnetischen Feldlinien entlang in Richtung Pole und bilden die Auroren. Bild: Emmanuel Masongsong / UCLA EPSS / NASA
Bild eines Querschnitts der Magnetosphäre, mit dem Sonnenwind auf der linken Seite in Gelb und den magnetischen Feldlinien ausgehend von der Erde in Blau. In diesem instabilen Umfeld, strömen Elektronen im erdnahen Weltraum, als weisse Punkte dargestellt, schnell nach unten den magnetischen Feldlinien entlang in Richtung Pole und bilden die Auroren. Bild: Emmanuel Masongsong / UCLA EPSS / NASA

Um den elektrischen Tanz der Auroren zu kartographieren, fotografierten die Wissenschaftler das Aufhellung und Dimmen der Auroren über Kanada mit gen Himmel gerichteten Kameras. Sie verwendeten gleichzeitig bodengestützte magnetische Sensoren in Kanada und Grönland, um elektrische Ströme während des geomagnetischen Teilsturms zu messen. Gleichzeitig sammelten fünf gut positionierten THEMIS Sonden Daten über die Bewegung der Magnetfeldlinien. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sich die Aurora harmonisch mit der vibrierenden Feldlinie bewegt. Magnetfeldlinien oszillierten in einem etwa sechsminütigen Zyklus und die Aurora hellte sich auf und verdunkelte sich wieder im gleichen Tempo. "Wir waren erfreut, eine so starke Übereinstimmung zu sehen", sagte Evgeny Panov, Mitautor und Forscher am Weltraumforschungsinstitut der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz. "Diese Beobachtungen sind das fehlende Glied in der Umwandlung von magnetischer Energie in Teilchenenergie, die Auroren antreiben." Das Aufhellung und Dimmen der Aurora entspricht der Bewegung der Elektronen und magnetischen Feldlinien. "Im Zuge dieses Geschehens schleudern sich die Elektronen erdwärts, prallen an der Magnetosphäre ab und schleudern sich wieder zurück", erklärt Sibeck. Wenn Wellen an Strand schlagen, spritzen und schäumen sie und ziehen sich dann wieder zurück. Die Wellen der Elektronen machen eine ähnliche Bewegung. Die Aurora hellt sich auf, wenn die Welle von Elektronen auf die obere Atmosphäre knallt und sie dimmt sich, wenn die Welle abprallt.

Dieses beeindruckende Aurorabild wurde während eines geomagnetischen Sturms aufgenommen, der wahrscheinlich durch einen koronalen Massenauswurf der Sonne am 24. Mai 2010 verursacht wurde. Die ISS lag über dem südlichen Indischen Ozean in einer Höhe von 350 Kilometern und der Astronaut blickte in Richtung Antarktika (nicht sichtbar) und Südpol. Bild: ISS - Expedition 23 Crew
Dieses beeindruckende Aurorabild wurde während eines geomagnetischen Sturms aufgenommen, der wahrscheinlich durch einen koronalen Massenauswurf der Sonne am 24. Mai 2010 verursacht wurde. Die ISS lag über dem südlichen Indischen Ozean in einer Höhe von 350 Kilometern und der Astronaut blickte in Richtung Antarktika (nicht sichtbar) und Südpol. Bild: ISS - Expedition 23 Crew

Vor dieser Studie, hatten Wissenschaftler die Hypothese aufgestellt, dass oszillierende magnetische Feldlinien die Auroren führen. Aber der Effekt war noch nie beobachtet worden, weil die THEMIS-Sonden genau an der richtigen Stelle über den bodengestützten Sensoren liegen müssen, um die Daten richtig zu koordinieren. In dieser Studie sammelten die Wissenschaftler THEMIS Daten zu einem Zeitpunkt, als die Sonden glücklicherweise genau richtig positioniert waren, um den Substorm zu beobachten. "Auch nach fast 10 Jahren sind die Sonden noch gut in Schuss und das wachsende Netzwerk von Magnetometern und Kameras generieren weiterhin qualitativ hochwertige Daten", sagte Vassilis Angelopoulos, Co-Autor und leitender Wissenschaftler bei THEMIS an der Universität von Kalifornien, Los Angeles. "Die Absicht von THEMIS war immer, dass wir diese Messungen zusammensetzen und diese Beobachtungen machen würden", sagte Sibeck. "Dies ist eine äusserst befriedigende Studie und ein Vergnügen, die richtige Verwendung dieser Missionsdaten zu sehen."

Die THEMIS-Mission war ursprünglich eine Anordnung von fünf NASA-Satelliten (THEMIS A bis THEMIS E) um Energieausstösse der Erdmagnetosphäre. sogenannte Teilstürme (magnetische Phänomene, die Auroren in der Nähe der Pole verstärken) zu studieren.  Der Name der Mission ist ein Akronym in Anspielung auf den Titanen Themis.  Bild: NASA
Die THEMIS-Mission war ursprünglich eine Anordnung von fünf NASA-Satelliten (THEMIS A bis THEMIS E) um Energieausstösse der Erdmagnetosphäre. sogenannte Teilstürme (magnetische Phänomene, die Auroren in der Nähe der Pole verstärken) zu studieren. Der Name der Mission ist ein Akronym in Anspielung auf den Titanen Themis. Bild: NASA

Quelle: NASA Goddard Space Flight Center