Schweden: Im Land der Polarlichter und der Hochatmosphärenforschung

Zum EM-Start habe ich die Ehre einen der ersten Artikel der Reihe „Allez Lez Blogs“ zu schreiben. In diesem Sinne: Anstoß für Schweden!
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Am 1.11.2015 landete eine Hand voll Physikstudenten und Studenten anderer Fachbereiche mit großem Interesse an der Physik auf dem kleinen Flughafen in Kiruna. Allein die Landung mit der halb besetzten Boeing 737 mit dem Namen „Signe Viking“ war schon ein Abenteuer. Heftige Böen schüttelten das Flugzeug beim Anflug in der späten nautischen Dämmerung um ca. 17 Uhr durch.

Als wir dann gelandet waren und das Ende der kurzen Landebahn direkt vor uns lag, wendete die Maschine und rollte in aller Ruhe auf der Landebahn wieder zurück. Das ist freilich nicht auf jedem Flughafen möglich! Doch in Kiruna landen nicht so viele Flugzeuge – ca. 3 am Tag, wenn etwas mehr Betrieb ist.

Das erste, was ich dann erblicken konnte, als wir den winzigen Flughafen verließen, waren seltsame, sich bewegende Wolkenformationen. Mir war eigentlich sofort klar, dass es sich um Aurora borealis – Polarlichter – handeln muss, doch die geringe Ausprägung der Farben ließ die Expeditionsteilnehmer noch zweifeln. Ich war fast so weit, dass ich es auch für Wolken gehalten hätte, doch das änderte sich am späteren Abend noch…

Auf der Suche nach dem Hotel liefen wir dann einfach der größten Menschenmasse hinterher, die wir finden konnten. Das war dann eine Gruppe von vier Leuten.  Immerhin dachten wir, dass an diesem Abend hauptsächlich Expeditionsteilnehmer in Kiruna ankommen würden. Wie sich später herausstellte, war dem nicht so. Die Gruppe konnte nämlich weder Deutsch, noch Englisch und hatte rein gar nichts mit unserer Expedition zu tun. Dies fiel uns aber erst am Rande der Stadt auf. Doch niemand hätte erwartet, dass sich dieses Missgeschick als Glücksgriff entpuppte! Am Stadtrand war der Blick nach Norden frei und noch dazu war es dunkel! So konnten wir die ersten wirklich mächtigen Leuchterscheinungen der Aurora borealis beobachten! Es waberte förmlich direkt unter dem hoch am Himmel stehenden Großen Wagen, und noch dazu in einem satten Grün!

Leider war die Kamera und vor allem das Stativ noch im Koffer, sodass von dieser beeindruckenden Aurora keine Bilder existieren…

Nachdem wir uns über die extrem vereisten Straßen Kirunas zum Hotel gekämpft hatten, ging die eigentliche Expedition los. Wir liefen auf einen Hügel hinter der Stadt, doch von der Aurora war lediglich ein extrem schwacher Schimmer zu sehen…  Es war also Zeit für die Nachtruhe und mit gutem Gewissen, nichts an Polarlichtern zu verpassen schlief es sich auch gut. Immerhin konnten wir ja etwas beobachten.

 

Am nächsten Morgen besuchten wir das „Institutet för rymdfysik“ (IRF), das Schwedische Institut für Weltraumphysik.

IRF

Credit: Kevin Gräff IRF

Hier werden neben der Aurora borealis und der Hochatmosphäre auch diverse Instrumente für Raumfahrtprogramme der ESA entwickelt und gebaut.  So zum Beispiel  MIPA (Miniature Ion Precipitation Analyser) für die Merkurmission „Bepi Colombo“, die Anfang 2017 starten soll:

MIPA für BepiColombo

Credit: Kevin Gräff MIPA für BepiColombo

Dieses Exemplar von MIPA ist quasi flugbereit und lagert in einer eigenen Vakuumkammer, auch wenn es nur ein als Backup dient.

Als nächstes besichtigten wir das Dach des IRF, auf dem mehrere Kameras und Experimente angebracht sind. Mit den Kameras wird zum Beispiel die Auroraaktivität dokumentiert. Es handelt sich dabei um handelsübliche Spiegelreflexkameras mit Ultraweitwinkelobjektiven, die heute leider nicht mehr hergestellt werden. Darum sei man beim Hantieren besonders vorsichtig.

Am Abend dieses Tages, der für uns Mitteleuropäer ungewohnt früh beginnt, nämlich bereits gegen 16 Uhr wurden dann die Gastvorträge der Teilnehmer präsentiert, darunter auch mein Vortrag zum Stratosphärenexperiment, von dem ich hier bereits berichtete.

Nach einer Stärkung ging es dann wieder nach draußen. Diesmal  in den Westen der Stadt. Wir waren mehrere Stunden unterwegs, doch von der Aurora fehlte visuell jede Spur. Lediglich fotografisch war über Kiruna etwas sichtbar. Immerhin durften wir einige Meteore beobachten und einen stimmungsvollen Mondaufgang genießen:

Ein Meteor über Kiruna

Credit: Kevin Gräff Ein Meteor über Kiruna

Mondaufgang über Setzungsriss

Credit: Kevin Gräff Mondaufgang über Setzungsriss

Links im Bild ist ein leichter Schleier der Aurora zu erahnen. Die Aurora hebt sich deutlich von der kleinen Lichtglocke der Stadt ab.

Wie sich am nächsten Morgen herausstellte, befanden wir uns die halbe Nacht auf einem Sperrgebiet… Direkt unter unseren Füßen befand sich nämlich der aktive Sprengungsbereich der Eisenerzmine. Das erklärte auch den kleinen gefrorenen „Fluss“ auf dem Bild mit dem Mond. Es handelte sich hierbei um einen Riss im Erdboden, der laut Minenbetreiber wenige Wochen zuvor noch nicht da war… Dies erfuhren wir leider erst hinterher beim Besuch der Eisenerzmine.

Am nächsten Tag besuchten wir das European Space and Sounding Rocket Range (kurz: Esrange). Auf dem Weg dorthin fielen uns besonders seltsam anmutende Wolken auf, die sich wesentlich höher in der Atmosphäre befanden, als die Cumuluswolken, die ebenfalls beobachtbar waren. Weshalb sie uns auffielen war allerdings die Farbgebung – sie schimmerten extrem wie Perlmutt.

PST am polaren Mittag

Credit: Kevin Gräff PST am polaren Mittag

Detailaufnahme der PST

Credit: Kevin Gräff Detailaufnahme der PST

Es handelte sich bei dieser Wolkenart um sogenannte Polare Stratosphärenwolken (kurz: PST). Diese Wolken entstehen in hohen Atmosphärenschichten (ca. 20-29 km) und bei Temperaturen unterhalb von -78°C. Sie bestehen dabei  aus einem Gemisch aus Schwefelsäure und Salpetersäure in kristallinem Zustand. Die ca. 10 Mikrometer großen Kristalle erzeugen dann Interferenzerscheinungen, die den Perlmuttglanz erklären. Aber so schön diese Wolken auch erscheinen, so schädlich sind sie für unser Klima. Es sind mit die schlimmsten Klimakiller, die man sich vorstellen kann, denn an den Oberflächen der einzelnen Kristalle finden starke katalytische Prozesse statt, die das Ozon zersetzen.

Nach dem kurzen Fotostopp setzten wir unsere Reise fort und erreichten Esrange. Hier werden Ballonstarts und auch Raketenstarts durchgeführt.

Das IRF entwickelt auch viele Experimente, die in der Schwerelosigkeit stattfinden müssen. Dafür verwendet man sogenannte „Sounding Rockets“. Diese Raketen sind mit ca. 12 m Länge relativ klein, erreichen aber immerhin eine Höhe von 600 km. Da sie allerdings senkrecht starten und noch dazu an einem sehr nördlich gelegenen Ort, ist es für diese Raketen nicht möglich, in einen Orbit einzuschwenken. Daher landen sie nach dem Erreichen der Gipfelhöhe aufgrund der geringen Geschwindigkeit über Grund wieder nahe dem Startplatz.

Eine Sounding Rocket im Aufenthaltsbereich des IRF

Credit: Kevin Gräff Eine Sounding Rocket im Aufenthaltsbereich des IRF

Solche Sounding Rocket Experimente unter geringen gravitativen Einflüssen sind oftmals Kristallisationsexperimente, die besonders Festkörperphysiker interessieren.

Auf folgendem Bild ist der Startturm neben der Hauptantenne von Esrange zu sehen.

 

Der Startturm von Esrange

Credit: Kevin Gräff Der Startturm von Esrange

Nach dem Besuch von Esrange war es wieder Zeit für die Gastvorträge.  Kaum waren diese vorbei rief jemand:“AURORAAAAAA!!!“ Mittels der Homepage des IRF kann man nämlich quasi live mit verfolgen, wie sich die Aktivität der Aurora verhält. Noch nie habe ich gesehen, dass ein Raum so schnell evakuiert wurde, nicht mal bei einer Feueralarmprobe.

Draußen angekommen sahen wir zum ersten Mal eine Aurora, die getrost Schatten werfen konnte! Entlang der Straße war der Himmel grün gefärbt. Die Aurora zeigte eine außerordentliche Dynamik, sodass es nur logisch erschien, eine Belichtungsreihe als Film zu bearbeiten:

Dieses Video zeigt die Aurora direkt auf dem Kirchplatz im Stadtzentrum von Kiruna.

Doch wie kommt es eigentlich zur Aurora?

Eine Aurora ist eine Leuchterscheinung, die dadurch entsteht, wenn geladene Teilchen des Sonnenwinds in die Atmosphäre eindringen und die dort befindlichen Atome energetisch anregen. Bei deren anschließenden Abregungsvorgang emittieren sie dann Licht, welches beobachtet werden kann.

Die geladenen Teilchen stammen von der Sonne. Immer dann wenn die Sonne recht aktiv ist, treten häufig Magnetfeldbündel aus der Sonnenoberfläche aus. An deren Ein- und Austrittsflächen entstehen durch Konvektionsstörungen die bekannten Sonnenflecken. Wenn nun ein solcher Magnetfeldbogen rekonnektiert, wird ein Großteil seiner Energie in die kinetische Energie der Protonen gesteckt, die zur falschen Zeit am falschen Ort sind. Diese werden dann als Sonnenwind von der Sonne emittiert.

Befindet sich die Erde dann noch genau in der Richtung, in die der Sonnenwind strömt, so werden die Protonen durch das erdeigene Magnetfeld auf schraubenbahnen gezwungen. Dadurch wird der sogenannte Van-Allen-Strahlungsgürtel gebildet. Die Schraubenbahnen der Protonen oszillieren von Pol zu Pol, denn sie werden durch die immer enger liegenden Magnetfeldlinien in Polnähe reflektiert. Die treibende Lorentzkraftkomponente wird dadurch nämlich an den Polen immer umgekehrt, wodurch harmonische Oszillationen resultieren.

Durch den Sonnenwind wird das Erdmagnetfeld auch stark verformt, es kann sogar so stark verformt werden, dass sich Magnetfeldlinien rekonnektieren, ähnlich wie bei der Sonne. Man kann sich die Rekonnexion als „Reißen und sofortiges neu verbinden“ einer Magnetfeldlinie vorstellen (nach den Maxwellgleichungen gibt es wohlgemerkt keinen magnetischen Monopol, doch als bildliche Darstellung genügt es). Dadurch werden die Teilchen im Van-Allen-Gürtel stark beschleunigt und treten in Polnähe in die Atmosphäre ein.

Dringen sie nur bis in 100 km Höhe ein, so haben sie nur eine Energie, die gerade ausreicht, den dort befindlichen Sauerstoff anzuregen. So entsteht rote Aurora mit 630 nm Wellenlänge. Haben die Teilchen mehr Energie, so regen sie Di-Stickstoffmoleküle an, die dann wiederum durch Stöße Sauerstoff anregen. Dieser ist dadurch dann in der Lage, einen verbotenen Übergang durchzuführen. Es entsteht grüne Aurora mit 557,7 nm Wellenlänge in einer Höhe unter 100 km. Haben die Teilchen besonders viel Energie, so dringen sie sehr tief in die Atmosphäre ein und können Stickstoffatome anregen. Somit entsteht blaue Aurora mit einer Wellenlänge von 428 nm.

Wir hatten an diesem Abend besonderes Glück, denn es bahnte sich ein geomagnetischer Sturm an. Auf folgendem Bild ist eine schwach ausgeprägte blaue Aurora zu sehen, die hier in der Form eines „Ray Arc“  ausgebildet ist. Visuell war sie leider nicht farblich abgehoben. Dafür war die Intensität leider etwas zu schwach, auch wenn nicht viel für den Farbeindruck gefehlt hat. Sicherlich waren auch die allgegenwärtigen Wolken am Intensitätsverlust beteiligt.

 

Eine blaue Aurora!

Credit: Kevin Gräff Eine blaue Aurora!

Später in dieser Nacht klarte es zunehmend auf und auch die Aktivität nahm wieder zu. So entstanden folgende Bilder mit großen „Störquellen“ wie dem Mond oder den Straßenlaternen:

Der Mond stört bei derart starker Aurora gar nicht!

Credit: Kevin Gräff Der Mond stört bei derart starker Aurora gar nicht!

Auch Straßenlaternen stören außnamsweise kaum!

Credit: Kevin Gräff Auch Straßenlaternen stören außnamsweise kaum!

 

Am nächsten Morgen (Die Nacht war nur 3 Stunden lang, doch das war’s wert) besuchten wir EISCAT, eine 32 m Parabolantenne, mit der man Radioexperimente in der Hochatmosphäre durchführt und auch Satellitentracking betreiben kann. Extra für uns wurde demonstriert, wie gelenkig diese riesige Parabolantenne ist und mit welcher Geschwindigkeit sie tracken kann. Vom Eindruck her würde ich sagen, dass man damit den Gravitationserforschungssatelliten „GOCE“ hätte tracken können. Er ist der sich am schnellsten über den Himmel bewegende Satellit gewesen, den ich je beobachten konnte.

Gruppenfoto bei EISCAT

Credit: Kevin Gräff Gruppenfoto bei EISCAT

Am Abend war dann natürlich wieder Aurorabeobachtung angesagt. Doch dieses Mal wurden alle Erwartungen gnadenlos gesprengt! Perfektes Wetter, perfekter Standort auf einem der Erzberge, dem Luossavaara und dazu noch ein massiver geomagnetischer Sturm. Schon beim nächtlichen Aufstieg warf die Aurora Schatten.

Farbenprächtige Aurora beim Aufstieg auf den Luossavaara

Credit: Kevin Gräff Farbenprächtige Aurora beim Aufstieg auf den Luossavaara

 

Hinter dem nächsten Bild verbirgt sich eine Gif-Animation!

Eine Animation der Aurora, zum Abspielen bitte anklicken!

Credit: Kevin Gräff Eine Animation der Aurora, zum Abspielen bitte anklicken!

 

Ein paar Spielereien mit der Taschenlampe gehören auch dazu ;-)

Credit: Kevin Gräff Ein paar Spielereien mit der Taschenlampe gehören auch dazu 😉

Die Farbe konnte getrost wieder mit saftigem Grün bezeichnet werden. Und die Dynamik war fast gespenstig. Mal waberte die Aurora wie ein Vorhang sanft im Wind daher, mal bewegte sie sich rasch von Westen nach Osten, mal war sie fast statisch über Zeiträume von halben Stunden. Besonders beeindruckend empfand ich die „Neonröhrenerscheinung“. Hierbei zuckt plötzlich ein von Horizont nach Horizont verlaufendes Band im Ganzen, als ob jemand einen Lichtschalter immerzu an und ausschaltet. Es wird also instantan hell und wieder dunkel – ein wirklich gespenstiger Anblick.

Dieses Band war allerdings eines der statischen, von dem langsam von links nach rechts ein Helligkeitsmaximum durchzog.

Ein sehr helles Band!

Credit: Kevin Gräff Ein sehr helles Band!

 

Plötzlich wurde die Umgebung gleißend hell bläulich erleuchtet! Im Augenwinkel sah ich in Zenitnähe einen Boliden in die Atmosphäre eintauchen. Da die Kamera schon aufgebaut war, habe ich sie kurzerhand in die Richtung des Eintritts gerichtet und belichtet. Auf dem Bild ist tatsächlich noch das Nachglühen der Atmosphäre zu erkennen. Es ist quasi eine Aurora der etwas anderen Sorte. Die Höhe der Rekombinationswolke ließ sich auf ca. 100 km begrenzen, da hier offensichtlich Sauerstoff angeregt wurde.

Ein Bolide erzeugte eine ganz andere Aurora!

Credit: Kevin Gräff Ein Bolide erzeugte eine ganz andere Aurora!

Ein Bildausschnitt aus dem obigen Bild.

Credit: Kevin Gräff Ein Bildausschnitt aus dem obigen Bild.

 

Fast am Gipfel des Luossavaara angekommen konnten wir die hellste Aurora  der Expedition beobachten:

Die intensivste Aurora, die wir beobachten konnten!

Credit: Kevin Gräff Die intensivste Aurora, die wir beobachten konnten!

Noch mehr Aurora!

Credit: Kevin Gräff Noch mehr Aurora!

Hierbei handelte es sich um ein homogenes Band, dass sich später in ein strahlenförmiges Band transformierte.

Nach dieser Helligkeitsexplosion wurde es wieder etwas ruhiger und ich entschloss mich, so lange auf dem Berg Bilder in Serie zu machen, bis alle Akkus leer waren. Dies tat ich in der Hoffnung, noch einmal einen Boliden einfangen zu können, doch das gelang mir nicht… Stattdessen entstand ein kurzer Film, der das rapide Helligkeitszunahmevermögen der Aurora borealis eindrücklich demonstriert:

 

Eine Statue auf dem Marktplatz von Kiruna am Mittag.

Credit: Kevin Gräff Eine Statue auf dem Marktplatz von Kiruna am Mittag.

Am nächsten Morgen ging es dann nach einem kurzen Stadtbummel übernächtigt nach Stockholm, doch das ist eine andere Geschichte….

Lust auf mehr Wissenschaft aus Schweden? Der Nature Index, eine große Datenbank über Publikationen aus vielen Ländern und Instituten, gibt Ihnen einen Überblick über die dortige Forschungsszene.

Veröffentlicht von

Ich bin 1992 geboren und besuchte bis zum Abitur das "Gymnasium Gernsheim". Dort war ich in den Leistungskursen Mathe und Physik. Zur Zeit studiere ich Physik an der Technischen Universität in Darmstadt. Ich interessiere mich schon sehr lange für allerlei Wissenschaften, was wohl auch die Studienfachwahl begründen dürfte. Seit Ende 2006 beschäftige ich mich aktiv mit der Astronomie, worauf bald die Mitgliedschaft bei der Arbeitsgemeinschaft Astronomie und Weltraumtechnik Darmstadt folgte. Kevin Gräff

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