Die Thermosphäre liegt über der Mesosphäre und erstreckt sich von rund 90 bis 500 km Höhe. Oberhalb der Thermosphäre liegt die Exosphäre.
Vertikaler Aufbau der Atmosphäre
Thermosphäre
Die Temperaturzunahme in der Thermosphäre ist hauptsächlich durch die Absorption Extremer UV-Strahlung verursacht, wobei die Temperaturmessung in ihrem klassischen Sinne, durch die nach oben abnehmende Teilchenmasse nur noch wenig Anwendung finden kann. In der darüberliegenden Exosphäre liegen einzelne Gasteilchen so weit auseinander, dass Sie nicht mehr kollidieren und aus diesem äussersten Bereich der Atmosphäre auch ins Weltall entweichen können.
Innerhalb der Thermosphäre spielt sich allerdings das Himmelsphänomen der Polarlichter ab. Der Ursprung dieses Phänomens liegt allerdings im Magnetfeld der Erde, beziehungsweise der Sonnenteilchen, die darauf treffen. Um also genau zu sein, spielen sich die Polarlichter in der Ionosphäre ab, diese stimmt grösstenteils mit der Thermosphäre überein, erstreckt sich allerdings einige Kilometer in die Mesopause.
Polarlichter
Polarlichter entstehen infolge hoher Sonnenaktivität. Dabei stösst die Sonne grosse Mengen an elektrisch geladenen Teilchen (Elektronen und Ionen) aus. Diese herausgelösten Elektronen und Protonen werden normalerweise vom Magnetfeld der Sonne zurückgehalten. Doch schwarze Flecken, die sich auf der Sonne bilden, sorgen dafür, dass sich das Magnetfeld zeitweise umordnet. Dabei brechen die Feldlinien auf und die elektrisch geladenen Teilchen werden explosiv ins All geschleudert. Diese gelangen während rund ein bis fünf Tagen zur Erde. Die Bewegung dieser Teilchen durchs All bezeichnet man als sogenannte Sonnenwinde.
Die von der Sonne ausgestossenen Teilchen werden am Magnetfeld der Erde oberhalb des Äquators nord- bzw. südwärts abgelenkt. Dabei werden die Teilchen bei der Ablenkung in Richtung der Pole beschleunigt und über den Polregionen schlussendlich in Richtung Erdoberfläche transportiert. Die Kollision der Sonnenteilchen mit den Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen in der Pol-nahen Erdatmosphäre ist die Ursache für die Polarlichter.
Um den Nordpol wird das Polarlicht Aurora Borealis und um den Südpol Aurora Australis genannt.
Polarlichter entstehen meist 100 bis 400 km, im Extremfall bis zu 600 km über der Erdoberfläche. Die Farbe hängt von dem Atom, auf welches das Sonnenteilchen trifft, sowie dem Energieniveau des Sonnenwindes ab:
- Rot: meist in Höhen zwischen 300 und 400 km, aufgrund von Sauerstoffatomen. Ist in unseren Breitengraden am ehesten zu sehen.
- Grün: in einer Höhe von 100 bis 300 km, aufgrund von Sauerstoffatomen. Ist insgesamt am häufigsten zu sehen (Auf Grund der der Höhe des Vorkommens und der Erdkrümmung auf hohe Breitengrade beschränkt)
- Rosa: in einer Höhe von etwa 100 km, aufgrund von Stickstoffatomen
- Blau und Violett: aufgrund von Wasserstoff- und Heliummolekülen. Kaum von blossem Auge wahrnehmbar
Für das menschliche Auge zeigen sich die Polarlichter nur selten in vergleichbaren intensiven Farben. Erst nach einer circa 20 Minuten Anpassungszeit bilden sich Lichtsinneszellen aus, mit denen wir besser im Dunkeln sehen können. Schnellere und farbenfrohere Ergebnisse zeigen sich auf Fotos, denn Kameras sind lichtempfindlicher. Mit einer möglichst langen Belichtungszeit sind auch bei schwächeren Ausprägungen Bilder von Polarlichtern möglich.
Koronaler Massenauswurf
Die Sonne stösst ständig elektrisch geladene Teilchen aus, die mit 300’000 bis 400’000 m/s ins Weltall geschleudert werden. Gelegentlich wird die Sonnenoberfläche von koronalen Löchern und Sonnenflecken aufgewühlt. Erstere verursachen eine deutliche Beschleunigung des Sonnenwindes (700’000 m/s), was zu einer intensiven Polarlicht-Aktivität führen kann. Die Sonnenflecken, welche auf der Sonnenoberfläche erscheinen, führen wiederum zu häufigeren Sonneneruptionen. Dabei wird Sonnenmaterie ins Weltall geschleudert, was als koronaler Massenauswurf (coronal mass ejection, CME) bezeichnet wird. Die Ankunft der CMEs in der Nähe unseres Planeten kann zu magnetischen Stürmen führen, die bis in die mittleren Breiten Polarlichter verursachen.
Die Sonne durchläuft einen 11-Jahres-Zyklus mit einem Minimum und einem Maximum an Aktivität. Diese lässt sich visuell an der Anzahl der Sonnenflecken an der Oberfläche ablesen. In der Phase minimaler Aktivität ist die Sonne fleckenlos, in der Phase hoher Aktivität bedecken Dutzende von Flecken ihre Oberfläche. Dann sind auch die CMEs zahlreich, was die Wahrscheinlichkeit für magnetische Stürme und starke Polarlichter erhöht.
Sind Polarlichter gefährlich?
Das Erdmagnetfeld ruft faszinierende Polarlichter hervor, schützt uns aber auch vor potenziell tödlicher kosmischer Strahlung. Sind die magnetischen Stürme sehr stark können Sie durchaus gefährlich werden, nicht direkt für unsere Gesundheit aber für technische Geräte. Es können Stromnetze, der Funkverkehr und Satelliten gestört werden. Stromausfälle oder dem Ausfall der Navigation (Satelliten), sorgen für weitere Ausfälle, welche weitreichende Folgen haben können.
Können Polarlichter vorhergesagt werden?
Die Überwachung, Forschung und Vorhersage von magnetischen Stürmen ist wegen ihrer potenziellen Gefahren wichtig. Beispielsweise betreiben die amerikanische NOAA sowie der Britische Wetterdienst ein Weltraumwetter Vorhersagezentrum. Sie berechnen eine Polarlichtvorhersage, welche aufgrund ihrer hohen Komplexität nur sehr schwierig und kurzfristig vorhersagbar sind. Doch heutzutage gibt es auch zahlreiche Apps, die die Wahrscheinlichkeit für Sichtungen vorhersagen.
Polarlichter in der Schweiz
Seit 2020 nahmen die Sichtungen von Polarlichtern in der Schweiz markant zu, obwohl die Schweiz circa 5000 km vom Nordpol entfernt liegt. Im Jahr 2020 wurde ein Minimum der Sonnenaktivität erreicht und markierte den Beginn einer neuen 11-Jahresperiode. In den Jahren danach nahm die Anzahl der Sonnenstürme mehr und mehr zu, wobei der Höhepunkt um das Jahr 2025 erreicht wurde.
Intensive Sonnenstürme sind verantwortlich, dass die Polarlichter in der Schweiz zu sehen sind. Diese wirken stark auf das Magnetfeld der Erde und sorgen, dass dieses sich sogar verformen kann. Infolgedessen enden die Feldlinien des Magnetfelds nicht genau an den Polen, sondern etwas weiter südlich, wodurch sich auch das Fenster vergrössert, in dem die Teilchen der Sonne mit der Atmosphäre interagieren können. Am 10.05.2024 konnten die Polarlichter sogar im Mittelmeerraum beobachtet werden.