Das Phänomen der leuchtenden Nachtwolken über einem finnischen See. © Martin Koitmäe/ CC-by-sa 3.0

Lichter am Himmel – schon immer haben sie die Menschheit fasziniert. Für unsere Vorfahren waren es meist Zeichen der Götter oder der Ahnen, die drohten, warnten oder auch Versöhnung anzeigten.

Für die Germanen schleuderte der wütende Donnergott Thor das „Feuer vom Himmel“ , für die Innuit schimmern im Polarlicht die Fackeln gestorbener Krieger. Und schon in der Bibel ist der Regenbogen das Symbol der Versöhnung und des Bundes zwischen Gott und den Menschen.

Inzwischen kennen wir die physikalischen Gesetzmäßigkeiten und Prozesse, die hinter den einst so geheimnisvollen Leuchterscheinungen stehen. Wissenschaftler haben gemessen, untersucht und die Zusammenhänge analysiert. Aber dennoch: Die Faszination dieser „Himmelslichter“ bleibt.

Nadja Podbregar

Die Frage nach der Farbe des Himmels hat eine lange Tradition: Über viele Jahrhunderte hinweg versuchten Künstler, Philosophen und Naturforscher das Geheimnis des Himmelsblaus zu enträtseln. Goethe vermutete 1810 in seiner Fabenlehre zwar schon, daß die blaue Farbe mit der Streuung des Lichts zusammenhängen könnte, die genaue physikalische Erklärung dieses Phänomens konnte aber erst 61 Jahre später der englische Physiker Lord John William Rayleigh liefern.

Himmel © Karlsruher Wolkenatlas, B. Mühr

Das uns normalerweise weiß erscheinende Sonnenlicht ist in Wirklichkeit aus allen Farben zusammengesetzt. Bei der Lichtbrechung in einem Prisma ist dies deutlich zu erkennen.Dabei haben die blauen Anteile des Lichts die kürzeste, die roten Anteile die längste Wellenlänge. Trifft ein Sonnenstrahl auf ein Sauerstoff- oder Stickstoffmolekül, wird das Teilchen durch die Energie in Schwingungen versetzt und sendet seinerseits Lichtwellen aus. Wie Wasserwellen in einem Teich, nachdem ein Stein hineingeworfen wurde, strahlen diese in alle Richtungen aus – mit derselben Wellenlänge wie die ursprüngliche Komponente des Sonnenlichts. Blaues Licht wird dabei am stärksten gestreut, bis zu 16mal stärker als Rotlicht.

Wasserdampf verändert den Blauton

Hat das Sonnenlicht die vier Kilometer dicke Lufthülle der Erde durchdrungen, ist praktisch sein gesamter Blauanteil gestreut, während die anderen Farben den Weg dagegen relativ ungehindert überstanden haben. Aus diesem Grund erscheint uns auch die Sonne selbst als gelbliche Scheibe: Wenn ihr Licht bei uns ankommt, enthält es alle Farben außer Blau.

Wie aber kommen die unterschiedlichen Blautöne des Himmels zustande? An manchen Tagen erscheint er tiefblau an, anderen dagegen eher weißlich. Die Ursache für dieses Phänomen sind in der Atmosphäre vorhandene Teilchen, die größer sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Aerosole wie Staub, Rauch, Wassertröpfchen oder Eiskristalle reflektieren die einfallenden Sonnenstrahlen in alle Richtungen, völlig unabhängig von der Wellenlänge. Da die abgestrahlten Wellen ein Gemisch aus allen Farben des Sonnenlichts sind, erscheint der Himmel an Tagen, an denen sich viel kondensierte Feuchtigkeit in den oberen Atmosphärenschichten befindet, deshalb eher weißlich-blau.

Auch die weißen „Schäfchenwolken“ , die an schönen Tagen den blauen Himmel verzieren, sind nicht wirklich weiß – die Millionen von Wassertröpfchen, aus denen die Wolke besteht, streuen das Sonnenlicht und lassen so die weiße Farbe entstehen.

Nadja Podbregar

Am Fuße des Regenbogens liegt ein Schatz begraben… so heißt es im Volksmund und viele Märchen- oder Sagengestalten müssen erst zum Ende des Regenbogens reisen, um die ihnen gestellte Aufgabe zu erfüllen. Wenngleich sein Geheimnis heute längst enträtselt ist und auch die Kinder heute schon wissen, daß man den Fuß des Regenbogens niemals erreicht, hat der Bogen aus Licht seine Faszination und Symbolkraft für uns nicht verloren. Die Umweltorganisation Greenpeace und andere Organisationen und Bewegungen benutzen ihn und seine typische Farbabfolge heute als Symbol für Harmonie, Ganzheitlichkeit oder Naturschutz.

Regenbogen © Karlsruher Wolkenatlas, B. Mühr

Ein Regenbogen entsteht dadurch, daß das Sonnenlicht von Regentropfen gebrochen und reflektiert wird. Im Gegensatz zum Volksglauben hat er zwar keinen festen Ort, wohl aber eine feste Ausrichtung: Er ist immer an der der Sonne genau entgegengesetzten Seite des Himmels in einem Winkelabstand von 42° um den Sonnengegenpunkt zu sehen. Da dieser Sonnengegenpunkt bei hochstehender Sonne hinter dem Horizont liegt, ist es unmöglich, mittags einen Regenbogen zu beobachten. Je höher die Sonne am Himmel steht, desto flacher ist der Regenbogen, bei tiefstehender Abendsonne wölbt er sich entsprechend hoch.

Mehr als 42° geht nicht

Warum aber beträgt dieser Winkel immer 42°? Ein Lichtstrahl, der in einen Wassertropfen eintritt, wird von der Grenzschicht zwischen Wasser und Luft reflektiert und verläßt den Tropfen wieder in einem bestimmten Winkel zu seiner ursprünglichen Einfallsrichtung. Natürlich fällt in Wirklichkeit immer ein ganzes Bündel Lichtstrahlen in einen Tropfen ein, und da jeder einzelne Strahl in einem anderen Winkel auf die Tropfenoberfläche trifft, sind die Austrittswinkel ebenfalls ganz unterschiedlich.

Brechung des Lichts in einem Wassertropfen © gemeinfrei

Dass dennoch nur die 42° Strahlen von uns als Regenbogen wahrgenommen werden, hängt damit zusammen, daß eine größere Ablenkung aus physikalischen Gründen nicht möglich ist. Alle Lichtstrahlen, die eigentlich noch weiter als diese 42° gebrochen werden müßten, konzentrieren sich an diesem Grenzwert und bilden dadurch den für uns sichtbaren Regenbogen. Die Lichtstrahlen mit kleineren Auslenkwinkeln verursachen lediglich eine leichte Aufhellung des Himmels innerhalb des Bogens.

Da das Sonnenlicht aus Strahlen verschiedener Wellenlänge aufgebaut ist, und sich die Brechung für jede Wellenlänge etwas unterscheidet, wird das Licht nicht nur abgelenkt sondern auch in seine Farbanteile zerlegt. Blaues Licht wird stärker gebrochen als rotes und liegt dadurch beim Austritt aus dem Tropfen näher am ursprünglichen Strahl. Im Regenbogen sehen wir daher den blauvioletten Streifen am weitesten innen, gefolgt von grün, gelb und ganz außen rot.

Ein doppelter Regenbogen mit dem typischen, dunkleren Band dazwischen. © Leonardo Weiss / CC-by-sa 3.0

Nebenbögen und Mondregenbögen

Oft ist zusätzlich zum Hauptbogen noch ein weiter außen liegender blasserer Nebenbogen zu sehen, der fast wie ein Spiegelbild des ersten Bogens wirkt, da seine Farbreihenfolge genau umgekehrt wie die des Hauptbogens ist. Wie der „normale“ Regenbogen, wird auch beim Nebenbogen das Licht in Regentröpfchen gebrochen. Bei einem bestimmten Eintrittswinkel wird aber ein Teil des Lichtstrahls nicht nur einmal, sondern zweimal an der Grenzschicht des Tropfens reflektiert.

Wenn diese Lichtstrahlen den Tropfen wieder verlassen, kreuzen sie die ursprünglichen Richtung des Sonnenlichts. Da der blaue Lichtstrahl wieder stärker gebrochen wird als die anderen Farben, bildet er nach dem Überkreuzen einen etwas größeren Winkel und im Nebenbogen liegt die blaue Farbe daher außen.

Auch das Mondlicht kann Regenbögen erzeugen. Allerdings ist das reflektierte Licht dann so schwach, daß wir es nicht mehr als farbig wahrnehmen können. Bei sehr schwachem Licht treten die lichtempfindlicheren Sehsinneszellen unserer Augen, die sogenannten „Stäbchen“, in Aktion. Da sie aber nur hell-dunkel unterscheiden können, sind nachts alle Katzen grau und auch ein Mondregenbogen nur ein schwacher farbloser Lichtstreif…

Nadja Podbregar

Im Gegensatz zu vielen anderen Leuchterscheinungen am Himmel, muß man für eine Halo weder auf die Dunkelheit warten noch nachts aufstehen. Die einzelnen oder mehreren weißlich-blassen Lichtringe um die Sonne sind mitten am Tage sichtbar. Beobachten kann man sie allerdings nur, wenn die Sonne selbst durch eine Wolke, einen Baum oder ein Gebäude verdeckt ist. Das direkte Sonnenlicht blendet sonst zu sehr und überstrahlt meist die diffusen Lichtringe, die sie umgeben. Obwohl in Nordeuropa durchschnittlich einmal pro Woche ein Halo-Phänomen auftritt, haben daher die wenigsten Menschen diese Sonnenringe schon einmal gesehen.

Halo © Karlsruher Wolkenatlas, B. Mühr

In seiner einfachsten Form besteht eine Halo aus einem hellen, farblosen Ring, der die Sonne in einem Radius von 22° umgibt. Daneben können aber auch Erscheinungen mit mehreren vollständigen oder halben Ringen und Nebensonnen auftreten. Bei letzterer Variante zeigen sich zwei helle Lichtflecken wie Spiegelbilder links und rechts neben der Sonne. Ein Meßgerät, mit dem man feststellen kann, ob es sich bei einer ringartigen Leuchterscheinung wirklich um eine 22° Halo handelt, trägt jeder Mensch übrigens immer bei sich: Streckt man den Arm aus und legt mit gespreizten Fingern den Daumen auf die Sonnenscheibe, zeigt die Spitze des kleinen Fingers in etwa einen Radius von 22° an.

Eiskristalle statt Wassertropfen

Ähnlich wie der Regenbogen entsteht eine Halo durch die Brechung des Sonnenlichts am Wasser der Atmosphäre. Während aber das Licht beim Regenbogen von Wassertröpfchen gebrochen wird, sind bei einer Halo Eiskristalle für das Phänomen verantwortlich. Im Gegensatz zum Regenbogen, der an der der Sonne entgegengesetzten Seite des Himmels erscheint, bildet sich der Lichtring der Halo immer direkt um die Sonne herum.

Besonders günstige Bedingungen für eine Halo herrschen, wenn ein Tiefdruckgebiet heranzieht: dann steigt warme feuchte Luft nach oben und trifft in acht bis zehn Kilometern Höhe auf kältere Luftmassen. Bei Temperaturen unter –6°C gefriert Wasserdampf und es bilden sich dünne zerfaserte Eiswolken, die sogenannten Cirruswolken, die häufig den Hintergrund für Halos bilden. Trifft Licht auf die Eiskristalle, wird es je nach Eintrittswinkel unterschiedlich stark gebrochen. Weil aber ein geringerer Ablenkwinkel als 22° aus physikalischen Gründen nicht möglich ist, häufen sich die Strahlen genau um diesen Wert herum. Für einen Beobachter bilden diese abgelenkten Strahlen den Ring um die Sonne.

Nebensonne © Karlsruher Wolkenatlas, B. Mühr

Nebensonnen und Lichtsäulen

Bei niedrigem Sonnenstand können statt des Ringes auch zwei diffuse Lichtflecke, die Nebensonnen, auftreten. Sie entstehen, wenn die Sonnenstrahlen parallel zur Grundfläche der Eiskristalle einfallen. Die Strahlen werden dann zwar ähnlich gebrochen wie beim 22° Halo, durch die horizontale Lage der Plättchen entsteht aber kein vollständiger Bogen.

Nicht nur der Einfallswinkel des Lichts, auch die Form der Eiskristalle – ob Plättchen, Säule oder sogar kreuzförmiger Vierlingskristall – entscheidet, welche Halovariante sich ausprägt: Ringe, die um die Sonne verlaufen, Horizontalkreise, bei denen ein Lichtring parallel zum Horizont durch die Sonne verläuft oder Lichtsäulen über oder unter der Sonnenscheibe. Sehr selten ist die Erscheinung einer Gegensonne, bei der ein heller Lichtfleck in einen Horizontalkreis eingebettet der Sonne genau gegenüber liegt. Er entsteht vermutlich durch eine Spiegelung der Sonnenstrahlen an vierstrahligen Eiskristallen.

Inzwischen können Wissenschaftler mit Hilfe von Computersimulationen die Entstehung aller beobachteten Halo-Varianten nachbilden. Der Computer simuliert den Strahlengang vieler Lichtstrahlen durch die unterschiedlichsten Kristallformen und errechnet daraus, in welcher Form und an welcher Stelle des Himmels eine Halo auftritt. Mit Hilfe dieser Methode können auch besonders seltene und ungewöhnliche Halo-Phänomene nachgebildet und analysiert werden.

Nadja Podbregar

Schon die Ägypter berichten auf einer über 4000 Jahre alten Steinstele von diesem seltenen Phänomen: Wenn die Sonne sinkt, kurz bevor der obere Rand der Sonnenscheibe völlig unter dem Horizont verschwunden ist, färbt sich der Rand plötzlich leuchtend grün.

Grüner Strahl © Karlsruher Wolkenatlas, B. Mühr

Diese sagenumwobene Leuchterscheinung ist extrem selten zu beobachten, vor allem deshalb, weil die Bedingungen, unter denen ein solcher „grünen Strahl“zu sehen ist, nur sehr selten eintreten. Nur bei klarem Himmel und einem Horizont der nicht durch Dunst oder Wolken getrübt ist, besteht die Chance, Zeuge dieses Phänomens zu werden. Die meisten der bisherigen Beobachtungen wurden daher auch auf dem Meer, in der Wüste oder im Hochgebirge gemacht.

Die Erklärung dieses seltenen Schauspiels hängt, wie bei den meisten Leuchterscheinungen in der Atmosphäre, mit der Lichtbrechung der Sonnenstrahlen zusammen. Die Moleküle der Atmosphäre brechen das Licht der verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich stark, am stärksten das blaue, am wenigsten das rote Licht.

Nahe am Horizont ist diese Lichtbrechung am stärksten, die letzten Sonnenstrahlen werden hier in ihre Spektralfarben aufgespalten. Theoretisch müßte man also einen roten, grünen und blauen Sonnenrand sehen, da das blaue Licht aber fast vollständig von der Atmosphäre gestreut wird, bleiben nur rot und grün übrig.

Nadja Podbregar

Korona © Karlsruher Wolkenatlas, B. Mühr

Fast jeder hat diese Leuchterscheinung schon einmal am winterlichen Nachthimmel beobachtet: Wenn ein dünner Wolkenschleier vor dem Mond vorüberzieht, scheint er von einem hellen, blaßblau schimmernden „Hof“ umgeben zu sein. Bei genauerem Hinsehen kann man oft noch einen oder mehrere konzentrische Ringe erkennen, die in seltenen Fällen sogar deutlich voneinander abgesetzte Farbschichten haben können.

Wissenschaftlich wird ein solcher „Hof“ als „Aureole“, die Ringe als Kranz oder Korona bezeichnet. Aureolen und Koronen kommen zustande, wenn die Lichtstrahlen der Sonne oder des Mondes durch winzige Wassertröpfchen in der Atmosphäre gebeugt werden. Anders als beim Regenbogen dringen die Strahlen dabei nicht in die Tröpfchen ein, sondern werden um sie herumgeleitet. Dieses Phänomen tritt deshalb auch bei undurchsichtigen Eiskristallen oder sogar Staubkörnchen auf. Einzige Vorraussetzung: die Teilchen müssen klein genug sein.

Weil die verschiedenen Wellenlängen des Lichts unterschiedlich weit abgelenkt werden, spaltet es sich in seine Farben auf. © Wiebke Salzmann / CC-by-sa 3.0

Die Größe ist entscheidend

Einen ähnlichen Effekt kann man beobachten, wenn man eine Fensterscheibe anhaucht und durch sie hindurch auf eine Lampe oder Kerze blickt: Man sieht farbige konzentrische Ringe um die Lichtquelle. Die Lichtstrahlen der Lampe werden von den kleinen Tröpfchen des Kondenswassers auf der Scheibe je nach Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt und dadurch in ihre einzelnen Farbkomponenten aufgeteilt.

Außerdem spielt auch die Größe der Tröpfchen eine wichtige Rolle: je kleiner die Partikel sind, desto größer ist der Durchmesser der entstehenden Beugungsringe. Haucht man zum Beispiel die Glasscheibe etwas stärker an, bilden sich größere Kondenswassertröpfchen und die Korona wird kleiner. Die Wasertröpfchen oder Eiskristalle in der Atmosphäre, die das Mond- oder Sonnenlicht auf dem Weg zur Erde beugen, müssen extrem klein sein, damit eine Aureole oder Korona entsteht, die wir überhaupt wahrnehmen können – ihre Größe liegt bei maximal 1/15 Millimeter. Die Wassertropfen, die einen Regenbogen entstehen lassen, sind im Verhältnis dazu mit mehreren Millimetern Durchmesser geradezu riesig.

Die feinen Tropfen aufsteigenden Nebels erzeugen hier eine solare Korona. © Brocken Inaglory / CC-by-sa 3.0

Auch die Sonne kann eine Aureole tragen

Vielen nicht bekannt ist die Tatsache, daß Aureolen und Koronen nicht nur beim Mond auftreten, sondern auch die Sonne von solchen Leuchterscheinungen umgeben sein kann. Das blendende Licht der Sonne verhindert zwar eine direkte Beobachtung, indirekt kann man die Koronen aber im Spiegelbild der Sonne in einer Wasserfläche oder an einer Glasscheibe beobachten.

Da auch feine Staubteilchen das Licht beugen können, sind nach Vulkanausbrüchen Aureolen oder Kränze besonders häufig. Die durch die Eruption des indonesischen Vulkans Krakatau im Jahr 1883 in die Atmosphäre geschleuderten Staubpartikel erzeugten besonders deutliche Koronen. Da diese Staubteilchen eine Größe von nur wenigen Mikrometer hatten, waren die Ringe der Korona außergewöhnlich groß.

Nadja Podbregar

Sie erscheinen ein bis zwei Stunden nach Sonnenuntergang, meist im Sommer und auch nur in einem engen Bereich zwischen dem 50. und 65. Breitengrad: silbrig schimmernde Wolken, die sich hell vom sonst dunklen Nachhimmel abheben. In geisterhaft bläulichem Licht erscheinen Wellen, Ringe oder Bänder, dünne Silberschleier legen sich vor den Sternenhimmel. Über Deutschland lässt sich dieses Phänomen rund 10 bis 15 mal pro Jahr beobachten, in den Monaten Mai bis Juli zeigen sich durchschnittlich in jeder fünften Nacht die „leuchtenden Nachtwolken“.

Leuchtende Nachtwolken über einem See in Finnland © Martin Koitmäe / CC-by-sa 3.0

Zum Leuchten gebracht werden die Wolken durch reflektiertes Sonnenlicht. Kurz nach Einbruch der Dunkelheit ist sie für einen Beobachter am Boden schon unter den Horizont gesunken, ihre Strahlen erreichen aber die hoch in der Atmosphäre schwebenden Nachtwolke“ noch und beleuchten sie von unten. Da die roten und gelben Anteile des Sonnenlichts auf dem langen weil schrägen Weg durch die oberste Atmosphärenschicht fast völlig absorbiert werden, erscheinen die Wolken meist in bläulichem oder silbernen Licht.

Große Höhe und Eiskristalle

Nicht nur ihr Leuchten unterscheidet diese Nachtwolken deutlich von den „normalen“ Wolken, auch der Ort ihrer Entstehung sorgte bei Wissenschaftlern für Erstaunen: Normalerweise entstehen Wolken durch Wasserdampfansammlungen in der Troposphäre, also den unteren 25 Kilometern der Erdatmosphäre. Messungen ergaben für die leuchtenden Nachtwolken eine Höhe von 82 Kilometern. Sie bilden sich mitten in der Mesopause, der kältesten Schicht der gesamten Atmosphäre. Da dort nur extrem wenig Wasserdampf vorhanden ist, hielten Forscher eine Wolkenbildung in dieser Schicht lange Zeit für unmöglich.

Inzwischen weiß man, daß die große Kälte in der Mesopause ausreicht, damit die wenige Feuchtigkeit zu Eiskristallen gefriert. Winzige Staubpartikel, die durch Vulkanausbrüche in diese Höhen geschleudert oder von Meteoriten eingetragen wurden, dienen den Wassermolekülen dabei als Kristallisationskerne und fördern die Bildung von Eiswolken. Bestätigt wird diese Erklärung durch die gehäufte Beobachtung der leuchtenden Nachtwolken nach der gewaltigen Eruption des Krakatau im Jahre 1883 und anderen großen Vulkanausbrüchen.

Je wärmer untetn, desto kälter oben

Die jahreszeitliche Verteilung der leuchtenden Nachtwolken scheint zunächst paradox: Warum sollten sich ausgerechnet Eiswolken nur in der wärmsten Jahreszeit bilden? Raketenmessungen haben gezeigt, dass in den großen Höhen der Mesopause die Temperaturen gerade im Sommer erheblich niedriger sind als im Winter. Durch atmosphärische Luftströmungen steigt im Sommer kalte Luft über den Polen nach oben und führt in der Mesopause zu Temperaturen von bis zu –150°C.

In polaren Breiten bilden sich deshalb auch besonders viele leuchtende Nachtwolken, die dann langsam in Richtung Äquator driften und sich dabei mit zunehmender Wärme auflösen.

Gäbe es in den Polargebieten keine Mitternachtssonne, könnte man dort allnächtlich die volle Pracht dieses Phänomens beobachten.

Nadja Podbregar

In fast allen Kulturen galten Blitze – das „Feuer vom Himmel“- als Zeichen der Götter. Bei den Germanen schleuderte der Donnergott Thor mit seinem Hammer die Blitze, bei den Griechen und Römern sandte Zeus bzw. Jupiter Blitze als Zeichen seiner Macht. Aber nicht nur in den Mythen unserer Vorfahren, auch ganz real haben Blitze das Leben auf der Erde entscheidend beeinflußt: Evolutionsforscher vermuten, daß die ersten organischen Moleküle durch den Einschlag von Blitzen in die „Ursuppe“ entstanden.

Typischer Blitz zwischen Gewitterwolke und Erde: Die hohe Spannung bringt die Luftteilchen zum Leuchten. © gemeinfrei

Mit der Frage, was Blitze sind und wie sie entstehen, beschäftigte sich erstmals Benjamin Franklin, der im Laufe seiner Experimente 1752 auch den Blitzableiter erfand. Die physikalischen Prozesse während eines Blitzes wurden jedoch erst Ende letzten Jahrhunderts genauer erforscht. Blitze entstehen durch Ladungsunterschiede innerhalb von Gewitterwolken. Steigen feuchtwarme Luftmassen in Bereiche mit kalter Luft auf, kondensiert die Feuchtigkeit in ihnen zu kleinen Wassertröpfchen und eine Wolke entsteht.

Bei der Bildung der Tröpfchen und später auch von Eiskristallen wird Wärme frei, die die Wolke noch weiter in die Höhe wachsen läßt. Durch Luftturbulenzen und die damit verbundenen Reibung laden sich die Tropfen und Kristalle je nach Größe unterschiedlich elektrisch auf: Die größeren Teilchen werden negativ, die kleineren positiv. Da die kleineren Partikel mit dem Luftstrom an das obere Ende der Wolke transportiert werden, entsteht eine Ladungsdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Bereich – aus der Wolke ist eine Gewitterwolke geworden.

Ladungsdifferenzen in einer Gewitterwolke © Karlsruher Wolkenatlas, B. Mühr

Spannung zwischen Himmel und Erde

Da Ladungsungleichgewichte immer nach einem Ausgleich streben, baut sich zwischen den beiden Polen der Gewitterwolke aber auch zwischen dem unteren, negativ geladenen Wolkenteil und dem Erdboden eine starke Spannung auf. Aus dieser Spannung, die mehr als 10 Millionen Volt betragen kann, und der Entfernung der Ladungen voneinander ergibt sich die elektrische Feldstärke. Erreicht sie einen kritischen Wert, die sogenannte Durchbruchsfeldstärke, entlädt sich die Spannung in einem Blitz.

Weitaus die meisten Blitze springen innerhalb einer Wolke oder von Wolke zu Wolke über und sind von der Erde aus nur schwer zu sehen. Um so spektakulärer ist dagegen die Entladung von einer Gewitterwolke zur Erde. Mit einer Geschwindigkeit von 100.000 Kilometern pro Sekunde – einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit – geschieht der einzelne Blitzschlag so schnell, daß man mit bloßem Auge kaum erkennen kann, in welche Richtung der Blitz verläuft: von der Erde zur Wolke oder umgekehrt?

Blitz in Etappen

Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigen, daß ein Blitzschlag eigentlich in mehreren Etappen abläuft: Als erstes löst sich ein Vorblitz aus der Wolke und bewegt sich sprunghaft Richtung Erdboden. Die Sprünge entstehen dadurch, daß die elektrischen Feldstärken zwischen Boden und Wolke unregelmäßig verteilt sind und der Blitz jeweils den höheren Stärken folgt.

Etappen eines Blitzes - er bewegt sich von unten nach oben. © Sebastien D'ARCO / CC-by-sa 2.5

Kurz bevor der Vorblitz den Erdboden erreicht, springt von einem erhöhten Punkt aus, einem Baum, Kirchturm oder einer Bergspitze, eine elektrische Ladung über und rast im Kanal des Vorblitzes nach oben. Dieser erste Hauptblitz hat eine Stromstärke von 10 000 bis 30 000 Ampere und kann die Luft auf bis zu 30 000 Grad aufheizen. Auf diese erste Entladung folgen, immer in abwechselnder Richtung noch mehrere Blitze, die aber so schnell hintereinander ablaufen, daß das Auge nur einen einzigen, leicht flackernden Blitzschlag wahrnimmt.

Dass wir einen Blitz überhaupt als leuchtende Lichtspur wahrnehmen können, hängt mit dem Aufbau der Gasmoleküle der Luft zusammen. Durch die Energie der Blitzentladung werden die einzelnen Atome der Sauerstoff- und Stickstoffatome „angeregt“, dabei wird ein Elektron aus der Atomhülle für kurze Zeit aus seiner Bahn um den Atomkern gestoßen. Wenn das Elektron nach dem Stoß wieder in seine alte Bahn zurückfällt, gibt es die aufgenommene Energie in Form von elektromagnetischenWellen wieder ab. Liegen diese Wellen im Bereich des sichtbaren Lichtes, sehen wir diese Entladungen entlang des Blitzkanals als leuchtenden Blitz.

Rätselhaft bis heute: Kugelblitze

Ein besonders seltenes und noch heute ungeklärtes Phänomen sind die Kugelblitze. Beschrieben werden sie meist als gelb bis rötlich leuchtende Kugeln von einigen Zentimetern Größe, die einige Sekunden lang geräuschlos über den Boden schweben bis sie in einem explosionsartigen Knall verlöschen. Da sie nur sehr selten beobachtet wurden, ist ihre Existenz und Ursache noch immer umstritten, es existieren weder gesicherte Meßergebnisse noch Fotos, die eine wissenschaftliche Auswertung erlauben.

Von glühenden Luftwirbeln, über Hochfrequenzladungen bis hin zu von starken Magnetfeldern zusammengehaltenen Plasmakugeln reicht die Spannbreite der Hypothesen. Die Erklärungsversuche sind zwar zahlreich, können aber bis heute aufgrund der fehlenden Daten weder bestätigt noch widerlegt werden.

Nadja Podbregar

Flackernde Lichter, die scheinbar aus dem Nichts an Mastspitzen von Schiffen, an Türmen, oder sogar an den eigenen Händen oder Fingern aufleuchten – das Elmsfeuer hat von allen Leuchterscheinungen vielleicht die unheimlichste Austrahlung.

Nicht am Himmel, in sicherer Entfernung, sondern manchmal direkt am eigenen Körper ist dieses Phänomen zu beobachten. Der Name „Elmsfeuer“ geht wahrscheinlich auf Erasmus, den Schutzheiligen der Seeleute zurück. Da die Leuchterscheinung besonders häufig auf dem Meer beobachtet wurde, benannte man das Phänomen nach der italienischen Form seines Namens „St. Elmo“.

Elmsfeuer auf einem Messgerät des meteorologischen Observatoriums Sonnblick in den Hohen Tauern. © bergratz.at / CC-by-sa 3.0

Entladung mit hoher Feldstärke

Physikalisch gesehen könnte man das Elmsfeuer als eine Art kontinuierlichen schwachen Blitz bezeichnen. Während oder kurz vor einem Gewitter ist die Luft stark elektrisch aufgeladen und diese Spannung erzeugt in der Nähe von spitzen Gegenständen hohe elektrische Feldstärken. Wenn die Spannung groß genug ist, fließt zwischen der geladenen Luft und der Spitze Strom. Die Luft wird ionisiert und ein flammenähnlicher, blaßblau flackernder Lichtschein entsteht. Die büschelförmige Lichterscheinung kann eine Länge von 30 bis 50 Zentimetern erreichen und länger als eine Minute anhalten.

Besonders häufig haben Seefahrer die flackernden Lichtern am Mast und den Enden der Rahen beobachtet, aber auch im Hochgebirge oder auf Hochebenen tritt dieses Phänomen an einzeln stehenden Bäumen, Telegrafenmasten oder Türmen auf. Auch ohne Kontakt zum Erdboden können diese Entladungen auftreten: Fliegt ein Flugzeug durch eine Gewitterfront, bilden sich an den Enden der Tragflächen manchmal leuchtende Elmsfeuer-Streifen.

Nadja Podbregar

„Nun breitet das Nordlicht über das Himmelsgewölbe seinen glitzernden Silberschleier aus, der sich bald in Gelb, bald in Grün, bald in Rot verwandelt. Und nun ringelt sich eine feurige Schlange vom westlichen Horizont her zum Himmel empor, immer heller und heller werdend….Wenn jemand aus den Naturerscheinungen geheimnisvolle Bedeutungen herauslesen will, hier bietet sich ihm sicherlich Gelegenheit dazu.“ (Fridtjof Nansen: „In Nacht und Eis“)

Auch das Polarlicht verdankt seine Entstehung dem Magnetismus © US Air Force

Nordlicht, Aurora borealis, Polarlicht – die geheimnisvollen Lichterscheinungen des Nordens haben schon immer die Phantasie der Menschen beflügelt. In den Sagen und Mythen der Nordlandbewohner waren es Sendboten der Geister der Ahnen oder der im Kampf gefallenen Krieger. Im Mittelalter galt das Nordlicht als Zeichen Gottes, das zur Umkehr mahnte, und sebst in unserem Jahrhundert noch sahen viele Menschen in dem Himmelsschauspiel ein Menetekel, einen Vorboten von Unheil und Krieg.

Jenseits des 64. Breitengrads

Heute ist die mystische Aura des Polarlichts zwar verflogen, aber faszinierend und rätselhaft bleibt es dennoch. Jenseits des 64. Breitengrads, in einem schmalen, etwa 400 Kilometer breiten Streifen um die beiden magnetischen Pole der Erde, treten die Leuchterscheinungen am häufigsten auf. Bis zu 240 Nächte im Jahr können die Bewohner des sogannten „Polarlichtovals“ das Himmelsschauspiel bewundern.

Polarlicht © NASA

Im Norden reicht diese Zone von Nordskandinavien bis nach Alaska, im Süden liegt sie fast völlig über dem Südpolarmeer, weshalb das Phänomen der „Aurora australis“, des Südlichts weit weniger bekannt ist als seine nördliche Variante „Aurora borealis“. „Aurora“– „Morgenröte“ benannte Galilei das Phänomen des Polarlichts, wahrscheinlich deshalb, weil schwache Polarlichter Ähnlichkeit mit einer Morgenröte haben, die sich mitten in der Nacht plötzlich über den Himmel erstreckt.

Bogen, Bänder und Vorhänge

Nicht nur die Beobachter früherer Zeiten haben in den vielen unterschiedlichen Ausprägungen des Nordlichts bestimmte Formen und Figuren gesehen. Auch die Wissenschaftler von heute beschreiben die „Arora“ mit solchen Begriffen – allerdings nach einem vorher festgelgten einheitlichen Klassifizierungssystem.

So überspannt der ruhige Bogen zum Beispiel den Abendhimmel in ost-westlicher Richtung und bleibt dabei bis zu zehn Minuten völlig unbeweglich stehen, Bänder zeigen sich dagegen erst um Mitternacht oder in den frühen Morgenstunden und wechseln schnell ihre Farbe, Form und Helligkeit. Der schon von Polarforscher Nansen beobachtete glitzernde Silberschleier, der mehrere hundert Kilometer hoch werden kann, wird heute als Vorhang bezeichnet.

Nadja Podbregar

Die Ursachen des Polarlichts wurden erst relativ spät entdeckt. Lange Zeit vermutete man, daß die Leuchterscheinungen durch Streuung oder Spiegelung des Sonnenlichts an Wolken, Eiskristallen oder atmosphärischen Gasen entstehen. Erst im Zusammenhang mit der Erforschung der Kometen und dem Phänomen des Kometenschweifs kam man der Erklärung auf die Spur: Die Sonne strahlt nicht nur Licht und Wärme aus, von ihr geht auch ein unablässiger Strom elektrisch geladener Teilchen aus, der sognannte Sonnenwind.

Aurora borealis von der Raumstation ISS aus gesehen. © NASA/GSFC

Schon 1960 konnte die amerikanische Raumsonde „Mariner 2“ diesen Teilchenstrom aus Protonen und Elektronen nachweisen. Mit Geschwindigkeiten zwischen 300 und 800 Kilometern pro Sekunde schießen die geladenen Teilchen in hoher Dichte durch das All. Ein Hindernis von nur einem Quadratzentimeter Fläche würde innerhalb von einer Sekunde von über 100 Millionen Partikeln getroffen werden.

Schwachstelle im Magnetkäfig

Erreicht dieser Sonnenwind die Erde, dringen die Teilchen nicht zur Erdoberfläche durch, sondern werden vom Magnetfeld unseres Planeten abgelenkt. Die symmetrisch verlaufenden Magnetlinien schützen die Erde wie eine Art Faradayscher Käfig – allerdings nicht ganz vollständig. Denn an den Polen, wo die Feldlinien senkrecht zum Erdboden verlaufe, ist der Käfig geschwächt. Zudem wird das Magnetfeld durch die Wucht des Sonnenwindes verformt, auf der sonnenzugewandten Erdseite wird es zusammengestaucht. In der Nähe der beiden Pole brechen die Feldlinien dagegen auf und bilden eine Art Schweif hinter der Erde.

Schematische Darstellung des Erdmagnetfeldes © GFZ Potsdam

An diesen Stellen ist die Magnetospäre undicht und die geladenen Teilchen gelangen in die oberen Schichten der Atmosphäre, wo sie mit den Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen der Luft kollidieren. Die dabei freiwerdende Energie wird als Licht unterschiedlicher Wellenlänge abgestrahlt – von Sauerstoffatomen als grünes und rotes, von Stickstoff als blaues und violettes Licht.

Sonnenstürme bringen Polarlichter auch zu uns

Obwohl das Polarlicht am häufigsten im „Polarlichtoval“ auftritt, kann es auch in Mitteleuropa beobachtet werden – statistisch gesehen mit einer Häufigkeit von ein bis drei Nächten im Jahr. Das geschieht dann, wenn sich durch Böen im Teilchenstrom des Sonnenwinds, zum Beispiel in Zeiten erhöhter Sonnenaktivität, das Magnetfeld der Erde noch stärker verformt und die geladenen Teilchen dadurch auch in gemäßigten Breiten in die Atmosphäre eindringen können.

Die dabei entstehende spezielle Aurora-Variante leuchtet meist rötlich und ist weniger deutlich konturiert wie das Polarlicht der höheren Breiten. Von den Menschen früherer Jahrhunderte konnten diese außergewöhnlichen, „blutrot“ strahlenden Erscheinungen am Himmel eigentlich nur als schlechtes Ohmen gedeutet werden.

Schwarze Aurora

Ein weiteres Phänomen, das bis heute die Wissenschaftler beschäftigt, ist die „schwarze Aurora“. Trotz dieser Bezeichnung ist sie nicht wirklich schwarz, sondern eher eine Art entgegengesetzter Polarlichtaktivität. Sie tritt meist etwa eine halbe Stunde nach einem besonders spektakulären Nordlicht auf – dann wenn die meisten Beobachter sich längst wieder ins Warme zurückgezogen haben.

Bringt ein Sonnensturm es weiter in mittlere Breiten, ist das Polarlicht oft rötlicher gefärbt. © Arctic light, Frank Olsen / CC-by-sa 3.0

Ned Rozell vom Geophysical Institute der Universität von Alaska in Fairbanks beschreibt die schwarze Aurora so: „Schwarze Wirbel ringeln sich quer über einen Polarlichtvorhang; schwarze Ringe, die aussehen wie dunkle Rauchringe heben sich vom hellen Lichtschleier ab; und schwarze Flecken bewegen sich wie gigantische Amöben durch ein Meer schwachen Lichtes“. Verursacht wird sie durch positv geladene Teilchen, die sich in genau entgegengesetzter Richtung wie die „normalen“ Partikel bewegen.

Wenn das Polarlicht singt….

Polarlichter sind übrigens keineswegs nur optische Phänomene: Immer wieder berichten Augenzeugen, sie hätten während eines Nordlichts auch Geräusche gehört. Für die Wissenschaftler ein Rätsel, denn die dünne Luft der Ionospäre, in der die Aurora entsteht, leitet keine Schallwellen und ist außerdem so weit von der Erdoberfläche entfernt, daß der Schall mehrer Minuten bräuchte, bis er von einem menschlichen Beobachter wahrgenommen werden könnte.

Einige vermuten, daß die Geräusche eigentlich durch elektrische Entladungen von Objekten am Erdboden hervorgerufen werden, die durch die elektromagnetischen Wellen des Polarlichts aufgeladen werden. Andere dagegen glauben, das Gehirn selbst sei für die Töne verantwortlich indem es die elektromagnetischenWellen der Aurora in Schall umwandle. Versuche, das Phänomen der „Sounds of the Aurora“ zu erklären gibt es viele, wissenschaftlich belegt ist bislang allerdings noch keine. Wissenschaftler der schwedischen Instituts für Weltraumphysik arbeiten allerdings daran.

Nadja Podbregar