Berlin. Eine Expertin erklärt, wie Polarlichter entstehen und weshalb sie künftig öfter über Deutschland zu sehen sein können.

Frau Pick, Sie befassen sich am Institut für Solar-Terrestrische Physik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt täglich mit dem Weltraum. Sind Polarlichter noch etwas Besonderes oder treiben Sie die Lichter nicht mehr nachts aus dem Haus?

Das treibt mich auf jeden Fall nachts aus dem Haus. Auf Daten gucken ist das eine, etwas optisch am Himmel leuchten zu sehen, ist nochmal eindrücklicher und schön. In meiner Jugend war ich einmal in Alaska und habe sehr intensive, eindrucksvolle Polarlichter gesehen. Das hat Teile meiner Berufswahl mitbestimmt.

Wie entstehen Polarlichter?

Polarlichter entstehen, wenn geladene Teilchen aus dem erdnahen Weltall in die polare Hochatmosphäre entlang von Magnetfeldlinien des Magnetfelds der Erde einfallen. Dort interagieren sie mit Atomen und Molekülen – insbesondere der Elemente Stickstoff und Sauerstoff.

Dabei werden diese Atome und Moleküle in einen energetisch angeregten Zustand versetzt und geben bei der Rückkehr in den Grundzustand Energie in Form von Licht ab. Dieses Leuchtphänomen beschreiben wir als Polarlicht.

Wo kommen diese Teilchen her und was genau sind das für Teilchen?

Das sind insbesondere Elektronen. Also negativ geladene Teilchen. Vereinfacht, kann man sagen, dass diese geladenen Teilchen aus dem Sonnenwind kommen.

Wenn diese Teilchen alle negativ geladen sind, wie kommen dann die unterschiedlichen Farben der Lichter zustande?

Die Farbe wird von der Wellenlänge des ausgesandten Lichts bestimmt. Also von der Größe der freigesetzten Energie. Jedes Atom oder Molekül sendet nur bestimmte Wellenlängen aus. Rotes und grünes Leuchten wird von atomarem Sauerstoff, blaues und violettes Leuchten von molekularem Stickstoff erzeugt.

Und wie kommt es, dass Polarlichter auf einmal in Deutschland zu sehen sind?

Polarlichter treten in den Polarlichtovalen auf, also da, wo – bildlich gesprochen – die Magnetfeldlinien die Atmosphäre durchstoßen. Das ist normalerweise etwa zehn Breitengrade weiter nördlich als Deutschlands Norden. Bei starken geomagnetischen Stürmen wird die Form des Magnetfelds jedoch verzerrt und das Polarlichtoval der Nordhemisphäre kann sich so weit südlich verlagern, dass wir es von Deutschland aus sehen können.

Geomagnetische Stürme?

Ja, geomagnetische Stürme sind eine charakteristische globale Verzerrung des Magnetfeldes.

Klingt kompliziert. Das müssen Sie erklären.

Geomagnetische Stürme entstehen, wenn die Sonne einen starken, geladenen Teilchenstrom abstrahlt. Diese Plasmawolke, die dann ausgestoßen wird, nennt sich koronaler Massenauswurf. Trifft er auf die Erde, wird das Erdmagnetfeld auf der Sonnenseite sehr stark zusammendrückt und global verformt. Diese Verformung nennt man einen geomagnetischen Sturm.

Für Polarlichter in Deutschland braucht man beides: Die Verformung des Magnetfelds als auch die Teilchen aus dem Sonnenwind, die dann entlang der Feldlinien in die Atmosphäre einfallen.

Im Moment scheinen diese geomagnetischen Stürme häufiger aufzutreten. Warum ist das so?

Die Wahrscheinlichkeit hängt von der Sonnenaktivität ab. Und diese Sonnenaktivität variiert in einem etwa elfjährigen Zyklus. Der nennt sich Sonnenfleckenzyklus. Beim Maximum dieses Sonnenfleckenzyklus stößt die Sonne besonders häufig sehr große Plasmawolken aus. 2024 ist voraussichtlich das nächste Maximum erreicht.

Kann man Polarlichter in Deutschland verlässlich vorhersagen?

Koronale Massenauswürfe brauchen im Schnitt ein bis drei Tage, bis sie die Erde erreichen. Das Problem ist, dass sich die Struktur der abgestoßenen Plasmawolke auf ihrem Weg von der Sonne zur Erde durch die Heliosphäre verändert. Damit ein starker geomagnetischer Sturm entstehen kann, muss das in der Plasmawolke enthaltene Magnetfeld in einer bestimmten Weise relativ zu dem Erdmagnetfeld orientiert sein – nämlich antiparallel.

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Was heißt das für die Vorhersage?

Man kann zwar die Sonnenoberfläche beobachten und dann auch Tage vorher wissen, ob ein koronaler Massenauswurf in Richtung Erde kommt oder nicht. Das heißt aber nicht zwangsläufig, dass es auch einen starken geomagnetischen Sturm gibt.

Das heißt, wenn ich Polarlichter beobachten will, stehe ich nachts möglicherweise umsonst auf?

Man kann Polarlichter noch besser vorhersagen, wenn man den Sonnenwind, kurz bevor er auf die Magnetosphäre trifft, beobachtet. Das macht man an dem sogenannten „L1-Punkt“ etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Relativ betrachtet ist das der Erde sehr nah. Von dort aus werden die Daten unter anderem an unsere Empfangsstation am DLR Neustrelitz gesendet. So ergibt sich eine Vorlaufzeit der Vorhersage von ungefähr 30 bis 90 Minuten.

Und dann sollte man sich ins Freie begeben, um Polarlichter zu sehen?

Man sollte sich an einen Ort, mit möglichst wenig Lichtverschmutzung und freier Sicht nach Norden begeben, etwa an die Nord- oder Ostsee. Alternativ kann man sich möglichst hoch positionieren, zum Beispiel auf der Zugspitze. Von dort kann man weiter gucken. Bei guten Sichtverhältnissen kann man die Polarlichter über 1000 Kilometer weit sehen.

Haben Polarlichter irgendwelche Auswirkungen auf der Erde?

Ja, das ist eine sehr gute Frage. Ich habe das Gefühl, dass Polarlichter sehr romantisiert werden. Sie sind schön anzugucken und eigentlich wollen wir sie alle sehen. Die Kehrseite der Medaille ist, dass geomagnetische Stürme kritische Infrastruktur beschädigen können.

Inwiefern?

Zum Beispiel durch Störungen in der Radiokommunikation, der satellitengestützten Navigation oder auch durch Störströme in unserem Stromnetz. Letztlich sind sie Teil des Weltraumwetters.

Gab es schon mal Auswirkungen, die wir beobachten konnten?

Ein Paradebeispiel ist der geomagnetische Sturm von 1989, der Teile des Stromnetzes in Quebec in Kanada lahmgelegt hat.

Wie ist das passiert?

Während eines geomagnetischen Sturms kann es zu einem Störstrom im Hochspannungsnetz kommen. Der fließt durch die Überlandleitungen und schließt über geerdete Transformatoren im Erdreich. Dieser Störstrom kann unter anderem zu Überhitzung der Transformatoren und systemweiten Fehlschaltungen von Schutzanlagen führen.

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Und welche Möglichkeiten gibt es, sich dagegen zu schützen?

In erster Linie ist eine belastbare Vorhersage der Gefahr notwendig, damit die Übertragungsnetzbetreiber rechtzeitig entsprechende Schutzmaßnahmen einleiten können. Die Forschung beschäftigt sich auch damit, die Netzkomponenten baulich besser gegen diese Störströme abzusichern. Es würde aber erhebliche Kosten verursachen und viele Jahre dauern, bis man sie resilient umgebaut hat.

Resilienz hört man auch aus der Politik des öfteren.

Ja, die deutsche Bundesregierung ist aufmerksam beim Thema Weltraumwetter. Zum Beispiel wurde im Koalitionsvertrag von 2018 erwähnt, dass Deutschland Kapazitäten zur Erforschung und Eindämmung von Weltraumwetterrisiken auf technische Infrastruktur ausbauen soll. Und wir als DLR sind Teil der Institutionen, die das umsetzen.

Konnten sie denn schon Beschädigungen am Stromnetz in Deutschland feststellen?

Die Stromnetze sind privatisiert in Deutschland. Dazu könnten also nur die Übertragungsnetzbetreiber was sagen. Wir sind aber derzeit sehr bemüht, diese Fragen im Rahmen laufender Kooperationen zu klären.

Gibt es denn einen generellen Trend dazu, dass geomagnetische Stürme Deutschland häufiger oder stärker treffen?

Das Maximum des aktuellen 25. Sonnenfleckenzyklus könnte etwas stärker ausfallen als das des vorherigen Zyklus. Insofern ist dieses Jahr vermehrt mit starken geomagnetischen Stürmen und Polarlichtern zu rechnen. Trotzdem ist auch dieser Zyklus im historischen Vergleich nicht besonders stark.

Dann hoffen wir mal, dass es so bleibt. Frau Pick, vielen Dank für das Gespräch!

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