Was verursacht die unterschiedlichen Farben des Polarlichts? Ein Experte erklärt den elektrischen Regenbogen

Letzte Woche schickte eine gewaltige Sonneneruption eine Welle energiereicher Teilchen von der Sonne durch den Weltraum. Am Wochenende erreichte die Welle das Land und Menschen auf der ganzen Welt erfreuten sich daran, ungewöhnlich helle Polarlichter auf beiden Hemisphären zu sehen.

Während die Aurora Borealis normalerweise nur in der Nähe der Pole sichtbar sind, wurden sie dieses Wochenende gesichtet. Nach Süden nach Hawaii Auf der Nordhalbkugel und Bis nach Mackay im Norden im Süden.

Dieser spektakuläre Anstieg der Polarlichtaktivität scheint vorbei zu sein, aber machen Sie sich keine Sorgen, wenn Sie ihn verpasst haben. Die Sonne nähert sich ihrem Zenit Der Sonnenfleckenzyklus dauert 11 JahrePerioden intensiver Dämmerung werden wahrscheinlich im nächsten Jahr oder so zurückkehren.

Wenn Sie die Aurora Borealis oder eines der Bilder gesehen haben, fragen Sie sich wahrscheinlich, was genau los war. Was macht den Glanz und die verschiedenen Farben aus? Bei der Antwort dreht sich alles um Atome, wie sie angeregt werden und wie sie sich entspannen.

Wenn Elektronen auf die Atmosphäre treffen

Polarlichter werden durch geladene subatomare Teilchen (hauptsächlich Elektronen) verursacht, die mit der Erdatmosphäre kollidieren. Diese Elemente werden ständig von der Sonne emittiert, in Zeiten höherer Sonnenaktivität gibt es jedoch mehr davon.

Der größte Teil unserer Atmosphäre ist durch das Erdmagnetfeld vor dem Fluss geladener Teilchen geschützt. Aber in der Nähe der Pole können sie sich einschleichen und Chaos anrichten.

Die Erdatmosphäre besteht zu etwa 20 % aus Sauerstoff und zu 80 % aus Stickstoff sowie in Spuren anderer Stoffe wie Wasser, Kohlendioxid (0,04 %) und Argon.

Wenn schnelle Elektronen mit Sauerstoffmolekülen in der oberen Atmosphäre kollidieren, spalten sie die Sauerstoffmoleküle (O₂) in einzelne Atome. Auch die ultravioletten Strahlen der Sonne bewirken dies, und die erzeugten Sauerstoffatome können mit O₂-Molekülen reagieren und Ozon (O₃) erzeugen, das Molekül, das uns vor schädlichen UV-Strahlen schützt.

Im Fall des Polarlichts befinden sich die erzeugten Sauerstoffatome jedoch in einem angeregten Zustand. Das bedeutet, dass die Elektronen der Atome instabil angeordnet sind und sich „entspannen“ können, indem sie Energie in Form von Licht abgeben.

Was macht grünes Licht aus?

Wie man bei Feuerwerkskörpern sehen kann, erzeugen Atome verschiedener Elemente unterschiedliche Lichtfarben, wenn ihnen Energie zugeführt wird.

Kupferatome geben blaues Licht ab, Bariumatome geben grünes Licht ab und Natriumatome erzeugen eine gelb-orange Farbe, die Sie vielleicht auch in alten Straßenlaternen gesehen haben. Diese Emissionen sind nach den Regeln der Quantenmechanik „zulässig“, d. h. sie erfolgen sehr schnell.

Wenn sich ein Natriumatom in einem angeregten Zustand befindet, bleibt es dort nur 17 Milliardstel Sekunden, bevor es ein gelb-orangefarbenes Photon aussendet.

Allerdings werden im Polarlicht viele Sauerstoffatome in angeregten Zuständen erzeugt, ohne dass es „erlaubte“ Möglichkeiten gibt, sich durch Lichtemission zu entspannen. Die Natur findet jedoch einen Weg.

Das grüne Licht, das die Polarlichter dominiert, wird von Sauerstoffatomen emittiert, die sich von einem Zustand namens „¹S“ in einen Zustand namens „¹D“ entspannen. Dies ist ein relativ langsamer Vorgang, der im Durchschnitt etwa eine ganze Sekunde dauert.

Tatsächlich ist dieser Übergang so langsam, dass er normalerweise bei dem Luftdruck, den wir am Boden haben, nicht stattfinden würde, weil das angeregte Atom durch die Kollision mit einem anderen Atom Energie verlieren würde, bevor es die Chance hätte, ein wunderschönes grünes Photon auszusenden. Doch in den oberen Schichten der Atmosphäre, wo weniger Luftdruck und damit weniger Sauerstoffmoleküle herrschen, haben sie mehr Zeit, bevor sie miteinander kollidieren und so die Chance haben, ein Photon freizusetzen.

Aus diesem Grund dauerte es lange, bis Wissenschaftler herausfanden, dass das grüne Licht der Polarlichter von Sauerstoffatomen stammt. Das gelb-orange Leuchten von Natrium war bereits in den 1860er Jahren bekannt, wurde aber erst in den 1920er Jahren erkannt. Kanadische Wissenschaftler Ich entdeckte, dass die dämmerungsgrüne Farbe auf Sauerstoff zurückzuführen war.

Was macht ein helles Rot aus?

Das grüne Licht stammt von einem sogenannten „verbotenen“ Übergang, der auftritt, wenn ein Elektron in einem Sauerstoffatom einen unerwarteten Sprung von einem Orbitalmuster zum anderen macht. (Verbotene Übergänge sind viel weniger wahrscheinlich als erlaubte Übergänge, was bedeutet, dass sie länger dauern.)

Doch selbst nach der Emission dieses grünen Photons befindet sich das Sauerstoffatom in einem anderen angeregten Zustand, ohne dass eine Entspannung möglich ist. Der einzige Ausweg ist ein weiterer blockierter Übergang vom ¹D-Zustand zum ³P-Zustand – der rotes Licht aussendet.

Dieser Übergang wird sozusagen weiter blockiert und der ¹D-Zustand muss etwa zwei Minuten anhalten, bevor er endlich die Regeln brechen und rotes Licht geben kann. Da es so lange dauert, erscheint rotes Licht nur in großen Höhen, wo Kollisionen mit Atomen und anderen Molekülen selten sind.

Da es dort nur eine geringe Menge Sauerstoff gibt, tritt rotes Licht außerdem nur in intensiven Polarlichtern auf, wie wir sie gerade gesehen haben.

Deshalb erscheint rotes Licht über grünem. Während beides aus der verbotenen Entspannung von Sauerstoffatomen entsteht, wird rotes Licht viel langsamer emittiert und hat eine größere Chance, durch Kollisionen mit anderen Atomen in geringeren Höhen ausgelöscht zu werden.

Andere Farben und warum sehen Kameras sie besser?

Während Grün die häufigste Farbe der Aurora Borealis ist und Rot die zweithäufigste Farbe, gibt es auch andere Farben. Insbesondere ionisierte Stickstoffmoleküle (N₂⁺, denen ein Elektron fehlt und die eine positive elektrische Ladung haben) können blaues und rotes Licht emittieren. Dies kann in tieferen Lagen zu einer violetten Farbe führen.

Alle diese Farben sind mit bloßem Auge sichtbar, wenn das Polarlicht hell genug ist. Allerdings erscheinen sie im Sucher stärker.

Dafür gibt es zwei Gründe. Erstens haben Kameras den Vorteil einer Langzeitbelichtung, was bedeutet, dass sie mehr Zeit damit verbringen können, Licht zu sammeln, um ein Bild zu erzeugen, als unsere Augen. Dadurch können sie auch bei schlechten Lichtverhältnissen fotografieren.

Der zweite Grund ist, dass die Farbsensoren in unseren Augen im Dunkeln nicht gut funktionieren, sodass wir bei schlechten Lichtverhältnissen dazu neigen, in Schwarzweiß zu sehen. Bei Kameras gibt es diese Einschränkung nicht.

Aber kein Grund zur Sorge. Wenn das Polarlicht hell genug ist, sind die Farben mit bloßem Auge deutlich sichtbar.

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