Polarlicht entsteht, wenn Sonnenlicht an Eiskristallen oder Gletschern in der Polarregion gespiegelt wird.

Erklärung: Im polaren Winter steht die Sonne nachts tief unter dem Horizont — es gibt nichts zu spiegeln. Polarlicht entsteht, wenn Sonnenwind-Teilchen auf Schraubenbahnen längs der Erdfeldlinien in die Atmosphäre gelangen und dort Sauerstoff und Stickstoff durch Stöße zum Leuchten anregen.

Zwei Protonen treten in ein homogenes Magnetfeld ein — eines genau parallel zu den Feldlinien, eines schräg dazu. Welche Bahnen beobachtest du?

Erklärung: Auf die Parallelkomponente v∥ übt das Feld keine Kraft aus — sie bleibt gleichförmig, das parallele Proton fliegt geradeaus. Beim schrägen Proton wird die Senkrechtkomponente v⊥ wie in Abschnitt 2 auf einen Kreis gezwungen. Kreis plus gleichförmiger Vorschub ergibt die Schraubenlinie um die Feldlinie, ohne dass sie sich zuzieht.

Welche Gase erzeugen die typischen Polarlichtfarben?

Erklärung: Die Sonnenwind-Teilchen regen die Gase der Hochatmosphäre durch Stöße an — angeregter Sauerstoff sendet das dominante grünlich-weiße Licht aus, angeregter Stickstoff die rosaroten bis violetten Säume der Vorhänge.

In welcher Höhe entsteht das Leuchten des Polarlichts — und warum gerade dort?

Erklärung: In dichterer Luft geben die angeregten Teilchen ihre Energie durch weitere Stöße ab, bevor sie leuchten können. Erst in der dünnen Hochatmosphäre zwischen etwa 100 und 1000 km wird die Stoßenergie als Licht frei — deshalb endet jeder Vorhang unten mit scharfem Saum.

Was passiert mit einem spiralenden Teilchen in den Van-Allen-Gürteln, wenn es in Richtung eines Pols in immer dichter zusammenlaufende Feldlinien gerät?

Erklärung: Im inhomogenen Feld bekommt die Lorentzkraft eine Komponente gegen die Vorwärtsbewegung — die magnetische Flasche. Am Spiegelpunkt kehrt das Teilchen um; so pendeln Elektronen und Protonen der Van-Allen-Gürtel zwischen Nord und Süd.

Experiment im Applet — du erhöhst nur v∥ und lässt v⊥ unverändert. Wie ändert sich die Schraubenbahn?

Erklärung: v∥ steuert nur den Vorschub längs der Feldlinie (die Ganghöhe h), v⊥ nur den Kreisradius r = mv⊥/(qB). Die beiden Bewegungen überlagern sich, ohne sich zu stören — genau das zeigt der Versuch mit den getrennten Reglern.

In welcher Stadt hat man in einer gewöhnlichen klaren Winternacht die besten Chancen auf Polarlicht?

Erklärung: Teilchen des Sonnenwinds kommen quer zu den Feldlinien kaum voran; sie schrauben sich an ihnen entlang. Nur in einem Ring um die magnetischen Pole tauchen die Feldlinien steil in die Atmosphäre ein — dort stoßen die Teilchen mit Sauerstoff und Stickstoff zusammen. Am Äquator verlaufen die Feldlinien parallel zur Oberfläche.

Bei einem starken Sonnensturm kann man Polarlicht auch in Bayern sehen.

Erklärung: Ein heftiger Sonnensturm drückt das Polarlicht-Oval weit nach Süden. Im Mai 2024 war es in ganz Deutschland zu sehen, bis in die Alpen.

Aufgabe 1 von 8