Seltene blaue Polarlichter lassen Forscher rätseln

In Kürze:

• Vier japanische Professoren haben in Schweden die Entstehung der seltenen blauen Polarlichter mithilfe einer Hyperspektralkamera untersucht.
• Hierfür verwendeten die Forscher eine neue Methode zur Höhenmessung, die aus der Plasmaforschung stammt.
• Die Ergebnisse zeigten, dass die Polarlichter in Höhen von 200 Kilometern entstehen und extrem stark sind.

Polarlichter sind ein Naturphänomen, das entsteht, wenn Elektronen aus dem Weltraum auf die Stickstoff- und Sauerstoff-reiche Erdatmosphäre treffen. Durch das Aufeinandertreffen werden die Moleküle in unserer Atmosphäre angeregt und erzeugen dabei Licht.

Die verschiedenen Farben, wie Rot, Grün und Violett, werden durch die Art der angeregten Atome und Moleküle und deren Energieänderungen bestimmt. In diesem Licht sind Informationen über die Art der einfallenden Teilchen und den Zustand der Atmosphäre verborgen. Damit jedoch die seltenen blauen Polarlichter entstehen, bedarf es viel Energie und angeregte Stickstoffmoleküle, wobei sie während der Dämmerung am häufigsten anzutreffen sind.

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Vom Boden aus betrachtet scheinen Polarlichter sich über weite Teile des Himmels auszubreiten. Doch ihre tatsächliche Höhe zu bestimmen, war bisher ein aufwendiges und schwieriges Unterfangen.

Früher wurden mehrere Kameras an verschiedenen Standorten installiert, um so dreidimensionale Bilder aufzunehmen und die Höhe zu schätzen. Eine Höhenbestimmung mit nur einer Kamera hielten viele Forscher bislang für unmöglich.

Neue Idee aus fremdem Labor

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Katsumi Ida vom Nationalen Institut für Naturwissenschaften in Japan und drei weiteren Professoren ist nun das Unmögliche gelungen.

Inspiriert wurden die Forscher von der Plasmaforschung im Labor. Dort wird ein Teilchenstrahl erzeugt und die Tiefe anhand des Schnittpunkts des vom Strahl angeregten Lichts mit der Sichtlinie des Beobachters bestimmt.

Anstelle eines Strahls nutzten die Forscher in diesem Fall das Licht einer blauen Aurora, die im Oktober 2023 über Kiruna, Schweden, erschien. Durch die Nutzung des Schnittpunkts dieses Lichts mit der Sichtlinie der Kamera gelang es, die Höhe mithilfe nur einer speziellen Kamera zu schätzen.

Viele Polarlichter erstrahlen in einem kräftigen Grün. Foto: AndreAnita/iStock

Bei der Beobachtung mit einer herkömmlichen Kamera oder einem Filter vermischen sich reflektiertes Sonnenlicht und resonant gestreutes Licht in der Dämmerung, was die Unterscheidung erschwert.

Eine spezielle Hyperspektralkamera hingegen kann Licht in feinere Spektralkomponenten – Wellenlängen beziehungsweise Farben – zerlegen und so extrem detailliert erfassen. Dies ermöglicht die Aufnahme beider Lichtarten und die präzise Trennung von Streulicht und Polarlicht für die weitere Auswertung. Herkömmliche, im Handel erhältliche Hyperspektralkameras sind für die Tageslichtfotografie konzipiert und können schwache Polarlichter nicht erfassen. Zur Beobachtung von Polarlichtern ist daher eine hochempfindliche Kamera erforderlich.

Polarlichter in ungewöhnlichen Höhen

Mit ihrem speziellen Ansatz und der hochmodernen Kamera konnten die japanischen Forscher schließlich am Morgen des 21. Oktober 2023 die seltenen blauen Polarlichter mit ihren Stickstoffionen (N₂⁺) beobachten und ihre Höhe präzise bestimmen.

Bislang gingen Forscher davon aus, dass die Stickstoffionenemission bei Polarlichtern in einer Höhe von etwa 130 Kilometern am stärksten ist. Die Beobachtung der japanischen Forscher zeigte jedoch, dass die Zunahme der Emissionsintensität in einer Höhe von 200 km am größten war. Somit sind laut den Forschern nächtliche Stickstoffionenemission sind nicht nur stärker als bislang angenommen, sondern kommen auch in deutlich größeren Höhen vor.

Was letztlich zu dem vermehrten Vorkommen der Stickstoffionen führt, ist nicht klar. Die Forscher um Prof. Ida schlagen jedoch zwei mögliche Szenarien vor:

1. Die Ionen könnten unter speziellen Bedingungen aus den dichteren, tieferen Schichten aufsteigen.
2. Sauerstoff-Ionen in großen Höhen könnten angeregt werden und ihre Ladung auf den Stickstoff übertragen.

Welche Erklärung zutrifft, oder ob blaue Polarlichter ganz anders entstehen, müssen zukünftige Untersuchungen zeigen.

Die Studie erschien am 5. November 2025 im Fachmagazin „Geophysical Research Letters“.