An der TU Braunschweig führt eine neue Studie mitten in ein Rätsel des Nachthimmels: Warum können rote und grüne Polarlichter manchmal wie durchgehende, parallele Streifen miteinander verbunden sein? Aufnahmen des Sonnensturms vom 10. Mai 2024 aus Braunschweig und Göttingen liefern darauf eine mögliche Antwort. Energiereiche Elektronen könnten entlang der Erdmagnetfeldlinien herabgeregnet sein und Sauerstoff in verschiedenen Höhen angeregt haben.

Das internationale Forschungsteam um Bruce T. Tsurutani untersuchte dafür unter anderem Smartphone- und Digitalkameraaufnahmen mit Belichtungszeiten von sechs bis acht Sekunden sowie Daten zum Sonnenwind und zum Erdmagnetfeld. Eine Aufnahme aus Braunschweig von 22:16 Uhr und eine aus Göttingen von 22:49 Uhr zeigen helle, parallele Streifen, die sich vom roten bis in den grünen Bereich fortsetzen. Das sieht auf den ersten Blick fast aus wie ein Lichtvorhang mit sauber gezogenen Fäden.

Ein Polarlicht, zwei Farben, ein möglicher Prozess

Polarlichter entstehen, wenn geladene Teilchen entlang der Magnetfeldlinien in die obere Atmosphäre eindringen und dort Atome anregen oder ionisieren. Beim Zurückkehren in ihren Grundzustand senden die Atome Licht aus. Atomarer Sauerstoff erzeugt dabei vor allem grünes und rotes Licht, Stickstoff eher blaues oder violettes.

Die Farben sitzen normalerweise in unterschiedlichen Höhen. Rote Polarlichter entstehen meist oberhalb von 200 Kilometern, ungefähr bei 250 Kilometern Höhe. Grünes Licht erscheint dagegen typischerweise in etwa 85 bis 130 Kilometern, häufig um 120 Kilometer. Die wichtigen Sauerstofflinien liegen bei etwa 630 Nanometern für Rot und etwa 558 Nanometern für Grün; die grüne Linie wird auch mit 557,7 Nanometern angegeben, rote Linien mit 630 und 636 Nanometern.

Der Grund für die Höhenstaffelung ist die Luftdichte. In tieferen, dichteren Schichten stoßen angeregte Sauerstoffatome häufiger mit anderen Teilchen zusammen und verlieren ihre Energie, bevor sie rotes Licht aussenden können. Grünes Licht hat eine Lebensdauer im Sekundenbereich, rotes von mehreren Minuten. Deshalb liegt Rot grundsätzlich über Grün. Blaues Licht entsteht in noch größeren Höhen und kann ebenfalls länger bestehen. Mischfarben sind möglich.

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Ein früheres Foto desselben Sonnensturms zeigte getrennte rote und grüne Bereiche. Die Verbindung war also nicht dauerhaft vorhanden. Gerade diese Veränderlichkeit macht die Sache interessant: Laut Forschungsteam spricht die gemeinsame Struktur dafür, dass bei den beobachteten kurzzeitigen Polarlichtern derselbe physikalische Prozess beide Farben hervorbrachte.

Erklärungen, nach denen die roten Streifen ausschließlich durch Wärmeleitung oder durch energiereiche Sauerstoffionen entstehen, passen nach Einschätzung des Teams weniger gut zu den Beobachtungen. Sicher ist das trotzdem nicht. Direkte Messungen des Elektronenstroms über Braunschweig und Göttingen fehlten. Weder die Teilchenenergien noch die Ursache für ihre Ablenkung in Richtung Atmosphäre konnten eindeutig bestimmt werden.

Was noch fehlt: der direkte Nachweis

Als mögliche Ursache diskutieren die Forschenden Wechselwirkungen mit Plasmawellen nahe der Plasmapause. Ein Modell verortete diese Grenze während des Ereignisses nahe den Magnetfeldlinien von Braunschweig und Göttingen. Die Wellen selbst und ihre Wirkung wurden allerdings nicht direkt nachgewiesen. Auch verschiedene Formen roter Polarlichter könnten unterschiedliche Entstehungsmechanismen haben.

Die Ergebnisse gelten deshalb nur für die untersuchten kurzzeitigen Polarlichter und nicht automatisch für alle roten Erscheinungen. Weitere Beobachtungen sollen zeigen, wie häufig rote und grüne Strahlen tatsächlich verbunden auftreten. Für solche Vergleiche sind Aufnahmen mit höchstens sechs Sekunden Belichtungszeit besonders nützlich, weil sie feine Strukturen besser sichtbar machen. Genaue Aufnahmezeiten und die Blickrichtung gehören ebenfalls dazu — eine unscharfe Himmelsaufnahme ohne Uhrzeit hilft der Forschung nur begrenzt.

Die Studie erschien am 3. November 2026 in Annales Geophysicae (DOI: 10.5194/angeo-44-1201-2026). Für Braunschweig ist das eine nette wissenschaftliche Fußnote mit sehr realem Himmel darüber: Die untersuchten Bilder entstanden während eines Sonnensturms, der die Polarlichter weit in mittlere Breiten schob.

Vom Sonnenwind bis zum Lichtvorhang

Polarlicht, auf der Nordhalbkugel Aurora borealis und im Süden Aurora australis, ist eine Leuchterscheinung der Hochatmosphäre und zählt zu den Elektrometeoren. Die lateinischen Begriffe bedeuten Morgenröte, nördlich und südlich. Meist leuchtet es in Bändern von etwa drei bis sechs Breitengraden nahe den Magnetpolen.

Das Erdmagnetfeld lenkt das Plasma des Sonnenwinds um unseren Planeten und bildet eine Magnetosphäre. Auf der Sonnenseite werden die Feldlinien gestaucht, auf der Nachtseite zieht sich ein langer Magnetschweif. Trifft ein erdgerichteter koronaler Massenauswurf ein, kann er die Erde mit ungefähr 1000 Kilometern pro Sekunde nach rund zwei Tagen erreichen. Im Magnetschweif kommt es dann zu Rekonnexionen. Elektromagnetische Induktion beschleunigt Elektronen und erzeugt großräumige elektrische Ströme: Ringstrom, Birkelandströme, Pedersenströme und den polaren Elektrojet.

Die verbreitete Vorstellung, Sonnenwindteilchen träfen einfach direkt auf die Atmosphäre, ist dabei stark vereinfacht. Die Energieübertragung läuft wesentlich komplizierter ab. Schon deshalb ist weiterhin nicht vollständig geklärt, warum Polarlichter an bestimmten Orten entstehen.

Bei starken Magnetstürmen reichen die Leuchterscheinungen bis in niedrigere geografische Breiten. Im deutschsprachigen Raum können während eines solaren Maximums durchschnittlich etwa 10 bis 20 Polarlichter pro Jahr beobachtet werden. In Mitteleuropa erscheinen sie meist am Nordhimmel, nur bei besonders starkem Sonnenwind auch im Süden. Das letzte Solarmaximum wurde für 2024 angegeben; der Sonnenfleckenzyklus dauert im Durchschnitt etwa elf Jahre, vom solaren Minimum über das Maximum bis zum nächsten Minimum.

Beobachtungen von der Erde sowie Daten von ESA- und NASA-Missionen ermöglichen kurzfristige Vorhersagen. Der Sonnenwind braucht meist zwei bis vier Tage bis zur Erde. Nach einer starken erdgerichteten Sonneneruption lässt sich in diesem Zeitraum mit Polarlichtern rechnen — sofern Wolken, Horizont und Schlafplan mitspielen. Sommerbeobachtungen im Norden scheitern häufig an der Mitternachtssonne; im Winter bremsen schlechtes Wetter und seltene klare Nächte. Eine eindeutige Häufung im Herbst und frühen Winter sowie im späten Winter und Frühjahr ist nicht belegt.

Von stillen Bögen bis zu „Aurora beads“

Polarlichter treten überwiegend in Alaska, Kanada, Finnland, Island und Norwegen auf. Je nach Sonnenwind erscheinen sie als Koronen oder ringförmige Strahlen, Vorhänge, ruhige Bögen und Bänder. Die Vallance-Jones-Klassifikation unterscheidet unter anderem gleichmäßige Bögen und Bänder, strahlenförmige Bögen und Bänder, diffuse und pulsierende Flächen, pulsierende Bögen, Koronen und zenitgerichtete pulsierende Strahlen.

Dunkle Stellen innerhalb einer Aurora heißen „Anti-Aurora“. Dort kommt der Elektronenstrom in Richtung Hochatmosphäre zum Erliegen; Satelliten registrierten an solchen Orten nach oben gerichtete Elektronenströme. Das in den 2010er-Jahren beschriebene Phänomen „Dunes“ besteht aus wellenförmigen Mustern in der grünen Aurora. Die Wellen sind etwa 45 Kilometer lang und liegen in ungefähr 100 Kilometern Höhe. Als mögliche Ursache gelten Schwerewellen beziehungsweise mesospheric bores.

Perlenkettenartige „Aurora beads“ entstehen nach Simulationen durch turbulente Prozesse im Magnetschweif. Dabei bilden sich Blasen und filamentartige Plasmastrukturen. Die Perlen treten häufig vor größeren Aurora-Entladungen oder Substürmen auf. Auch auf anderen Planeten mit Magnetfeld und Atmosphäre wurden Polarlichter beobachtet, etwa auf dem Mars durch die Sonde MAVEN. 2015 wurden erstmals Polarlicht-ähnliche Aktivitäten außerhalb des Sonnensystems beobachtet: am 18 Lichtjahre entfernten Stern LSR J1835+3259, etwa 10.000-mal stärker als Polarlichter auf Jupiter.

Alte Deutungen, neue Risiken

Der möglicherweise früheste datierbare Bericht über ein Polarlicht steht in einem babylonischen Keilschriftdokument. Er beschreibt ein rotes Leuchten in der Nacht vom 12