Elektrizitätslehre

Bewegte Ladungen in Feldern

Polarlicht

  • Wie funktioniert eine Bildröhre?
  • Warum schützt das Erdmagnetfeld vor kosmischer Strahlung?
  • Wie funktionieren Teilchenbeschleuniger?
  • Kann man die Masse von Elektronen messen?
  • Wie groß ist die kleinste Ladung?

Polarlicht

Das Polarlicht ist seit der Antike bekannt. Es tritt in Form von farbigen Bändern, Fäden, Fahnen, Flammen und Vorhängen im Wesentlichen in den nördlichen Breiten auf, kann aber auch bei uns beobachtet werden. Den Mythen der Eskimos nach wird das Polarlicht dadurch hervorgerufen, dass die Geister der Verstorbenen am Himmel ein Ballspiel abwickeln, wobei ein hin und her geworfener Walrossschädel das Leuchten erzeugt.

Eine andere frühere Vorstellung, die aufs erste recht plausibel klingt, ging davon aus, dass es sich um Sonnenlicht handelt, das an Eiskristallen in der Atmosphäre in Höhen von 100 bis 1000 km reflektiert und in seine Bestandteile zerlegt wird. Dies konnte Anders Jonas ÅNGSTRÖM (1814 - 1874) widerlegen, da er wesentliche Unterschiede zwischen dem Licht des Polarlichts und dem Sonnenlicht nachwies. Er analysierte das Spektrum des Polarlichtes und verglich es mit dem der Sonne. Dabei kam er zu dem Ergebnis, dass viele Wellenlängen, die im Sonnenspektrum vertreten sind, im Spektrum des Polarlichts völlig fehlten. Dadurch konnte ausgeschlossen werden, dass es sich beim Polarlicht um reflektiertes Sonnenlicht handelt.

Heute weiß man, dass Polarlichter durch eine hauptsächlich aus Elektronen und Protonen bestehende Teilchenstrahlung, dem Sonnenwind, hervorgerufen wird. Diese, von der Sonne ausgehende Teilchenstrahlung (kein Licht), trifft auf das magnetische Feld der Erde und "verbiegt" dieses, so dass das Feld zur sonnenabgewandten Seite wie ein Kometenschweif hinausgedrückt wird.

Die Magnetosphäre der Erde

Die in der Skizze dunklere Seite der Erdkugel stellt die Nachtseite dar, die hellere die Tagseite; man blickt also auf die Abendseite der Erde. Die Morgenseite ist nicht sichtbar, da sie auf der dem Betrachter abgewandten Seite der Erde liegt. Die Bugstoßwelle ist die Region, an der die Sonnenwindteilchen die erst große Abbremsung erfahren. Dies bewirkt, dass das Erdmagnetfeld auf der Tagseite der Erde zusammengedrückt wird. Die Magnetopause ist die Region, an der Erdfeld und Sonnenwindfeld etwa gleich stark sind. So wird auf der Nachtseite der Erde das Erdmagnetfeld gestreckt.

Auf die Elektronen und Protonen wirkt die LORENTZ-Kraft des Magnetfeldes, das aus dem vom Sonnenwind verschobenen Feld der Sonne und dem Erdfeld resultiert. Von der Sonne kommende Protonen und Elektronen werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Ladung in verschiedene Richtungen abgelenkt. Würde man in der Skizze von der Erde aus in Richtung Sonne (und damit der entgegenkommenden Teilchen) blicken, so würden die Protonen aus der Papierebene heraus und die Elektronen in die Papierebene hinein abgelenkt werden. Das im hohen Norden einmündende Magnetfeld lässt eine negative und eine positive Ladungswolke entstehen. Der negative Ladungspol liegt auf der Abendseite, der positive auf der Morgenseite. Zwischen diesen Ladungswolken baut sich in der Magnetosphäre ein elektrisches Feld auf, wodurch eine Art natürlicher Polarlichtgenerator entsteht. (Quelle Polarlichtseite Leidmann) Da in der Magnetosphäre noch einzelne Luftmoleküle vorhanden sind, die durch die UV-Strahlung der Sonne und den Sonnenwind ionisiert werden, fließt ein Strom zwischen den beiden Ladungspolen, und zwar von der Morgenseite (+ Pol) zur Abendseite (- Pol). Dies ist eine Möglichkeit, wie durch das Magnetfeld Ladungsbewegungen (unten Elektronen- und Protonendrift bezeichnet) in der Magnetosphäre entstehen.

Des weiteren werden geladene Teilchen im inneren Magnetfeld der Erde gefangen. Der Bereich in dem die geschieht heißt van Allen Gürtel und ist ein Strahlungsgürtel der Erde. Hier werden die Elektronen und Protonen wie in einer magnetischen Flasche festgehalten und gelangen nur in Polnähe in die obere Atmosphäre. Sowie die Elektronen und Protonen in die Atmosphäre gelangen, regen sie die Luftmoleküle zum Leuchten an. Dies geschieht gewöhnlich in 65km bis 400km Höhe, kann aber manchmal auch in bis zu 1200km Höhe beobachtet werden.

  

Die Aufnahmen wurden von der Raumfähre Discovery gemacht, die im Auftrag des US Verteidigungsministeriums untersuchen sollte, wie die Polarlichter die Frühwarnsysteme für Interkontinentalraketen stören können.

Eine Raumfähre flog sogar einmal durch ein Polarlicht hindurch. Während der Durchquerung sahen die Astronauten Lichtblitze, auch wenn sie ihre Augen geschlossen hielten. Die geladenen Teilchen gingen durch die Wände der Raumfähre und den Augapfel, reagierten mit Atomen des Körpers und erzeugten dabei die Blitze. (Quelle: fh-wiesbaden)

Wer mehr Bilder und zusätzliche Information sucht, findet diese auf der Aurora-Seite der University of California.

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