Lassen sich Nordlichter hören?

Wenn geladene Teilchen von der Sonne in die Erdatmosphäre gelangen, lösen sie am Himmel ein Lichtschauspiel aus. Wie solche Polarlichter entstehen, ist inzwischen geklärt. Doch ob man sie nicht nur sehen, sondern auch hören kann, war lange umstritten. In den vergangenen Jahren lieferten wissenschaftliche Studien neue Erkenntnisse über dieses Phänomen.

Die tanzenden bunten Lichter am Himmel beeindrucken Menschen seit langer Zeit. Neben dem Nordlicht – auch Aurora borealis genannt – in nördlichen Breiten treten ähnliche Phänomene auch über der Südhalbkugel auf. Hier heißen sie Südlichter oder Aurora australis. Beide Leuchterscheinungen besitzen den gleichen Ursprung: geladene Teilchen aus der Sonne.

Farben einer Aurora

Mit Geschwindigkeiten um die dreihundert Kilometer pro Sekunde rasen die solaren Teilchen gen Erde. Hauptsächlich handelt es sich um Elektronen und Protonen, die bei ihrer Reise schließlich auf das Magnetfeld der Erde treffen und entlang der Feldlinien in Richtung der Pole geleitet werden. Dort gelangen die geladenen Teilchen in die Erdatmosphäre, wo sie auf Luftmoleküle prallen. Dabei übertragen sie Energie auf die Moleküle, die diese wenig später wieder abgeben, indem sie aufleuchten. Diese Prozesse geschehen meist in einer Höhe von achtzig bis dreihundert Kilometern.

Die Farbe der Polarlichter hängt von der Art des Moleküls ab, mit dem die geladenen Teilchen zusammenstoßen. Angeregte Sauerstoffatome erzeugen eine rote und die am häufigsten sichtbare grüne Farbe. Durch Stickstoffatome kann zusätzlich noch violettes und blaues Licht entstehen.

Berichte von Menschen in Skandinavien und in anderen Ländern nahe dem Polarkreis, dass gleichzeitig zu dem Lichtschauspiel auch ein Knistern und Knacken zu hören sei, wurden lange als Märchen abgetan. Die mehr als hundert Kilometer entfernten Nordlichter schienen viel zu weit entfernt, als dass sich deren Geräusche über eine solche Distanz wahrnehmen ließen. Ohne auswertbare Aufnahmen und ohne eine genaue Lokalisierung der Quelle des Geräuschs konnte bisher weder dessen Existenz bestätigt, noch eine Erklärung dafür gefunden werden.

Nachweis der Geräusche

Eine Forschergruppe um Unto Laine von der Aalto-Universität in Finnland begann im Jahr 2000, erste Audioaufnahmen von den Geräuschen der Nordlichter zu machen. Ihr Ziel war es, den Ton zunächst überhaupt nachzuweisen und anschließend die Quelle zu lokalisieren. An verschiedenen Orten und in mehreren Nächten, in denen Nordlichter zu sehen waren, versuchten die Wissenschaftler die gesuchten Geräusche aufzunehmen – mit Erfolg. Außerdem untersuchten sie das Magnetfeld in den jeweiligen Gebieten. Denn neben den Geräuschen sollte an der Quelle auch eine plötzliche Änderung des Magnetfelds auftreten, die in Form eines magnetischen Pulses messbar sein müsste. Tatsächlich gelang es dem Team, entsprechende Schwankungen im magnetischen Feld zu messen.

Inversionsschicht

Die magnetischen Pulse breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, während sich die Geräusche mit Schallgeschwindigkeit bewegen. Daher benötigen die beiden Signale für dieselbe Strecke eine unterschiedliche Zeit – aus dieser Differenz ließ sich die Distanz von der Erde zur Geräuschquelle bestimmen. „Die Verzögerung zwischen der Schwankung im magnetischen Feld und dem Geräusch liefert einem die Höhe der Quelle. Auf diesen Messungen basierend muss sie etwa auf einer Höhe von siebzig bis achtzig Metern liegen“, so Laine. Der Forscher und seine Kollegen werteten Daten des Finnischen Meteorologischen Instituts über die geomagnetische Aktivität der Erde aus und konnten so einen konkreten Zusammenhang zwischen den Geräuschen und den Lichterscheinungen herstellen. „Es ist wahrscheinlicher, die mit den Nordlichtern in Zusammenhang gebrachten Geräusche zu hören, wenn die geomagnetische Aktivität hoch ist“, erläutert Laine.

Inversionsschicht sorgt für Töne

Eine genaue Erklärung, wie die Töne erzeugt werden, konnten die Forscher zu diesem Zeitpunkt jedoch nicht liefern. Ebenfalls ungeklärt blieb die Frage, warum die Nordlichter nur in manchen Nächten zu hören sind und in anderen nicht. Das holten die Wissenschaftler in einer neuen Studie nach, die sie 2016 vorstellten. Die Wetterkonditionen seien demnach ein wichtiger Faktor dafür, dass Geräusche überhaupt entstehen können. „Klares und ruhiges Wetter ist notwendig, um den Klang der Aurora zu hören“, sagt Laine. Grund dafür sei eine sogenannte Inversionsschicht, die sich ausschließlich unter solchen Bedingungen bildet.

Normalerweise nimmt die Lufttemperatur mit steigender Höhe ab. In klaren und windstillen Winternächten kann sich dieses Temperaturgefälle jedoch umkehren: Kühlt sich der Erdboden nachts stark ab, wird die bodennahe Luftschicht kälter als die darüberliegende Luftschicht. Zwischen den beiden bildet sich die Inversionsschicht aus. Diese wirkt wie eine Art Deckel, der verhindert, dass sich die obere und untere Luftschicht vermischen. Bei einer solchen Wetterlage können sich laut Laine negative Ionen am unteren Rand der Grenzschicht ansammeln, in einer Höhe von siebzig bis achtzig Metern. Durch die bei Nordlichtern auftretende erhöhte Leitfähigkeit in der oberen Atmosphäre gelangen gleichzeitig vermehrt positive Ionen an den oberen Rand der Inversionsschicht. „Diese Schicht formt dadurch gewissermaßen einen riesigen aufgeladenen Kondensator“, so Laine. Ein Kondensator besteht aus einer negativ und einer positiv geladenen Fläche, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt.

Nordlichter während einer Audioaufnahme

Diese elektrische Spannung erhöht sich durch zusätzliche Ladungsträger. Je höher die Spannung ist, desto wahrscheinlicher wird es, dass es zu einer plötzlichen Entladung kommt. Bei einer solchen Entladung entsteht ein Knistern und Knacken – und der von Laine und seinen Kollegen gemessene magnetische Puls. Neben der geomagnetischen Aktivität, die während der Nordlichter gegeben ist, sind also auch die Wetterbedingungen entscheidend, damit Geräusche entstehen können. „Eine kleine Windböe kann diese Konstruktion schon zerstören. Dies erklärt auch, warum ich nicht in der Lage bin, die Geräusche der Nordlichter aufzunehmen, wenn bereits ein lauer Wind herrscht“, so Laine.

Zwar konnten Laine und seine Kollegen die Geräusche von Nordlichtern nun mit wissenschaftlichen Methoden nachweisen. An den Details ihrer Erzeugung rätseln die Forscher allerdings immer noch. So konnten sie bisher nicht herausfinden, was die Entladung der Inversionsschicht auslöst. „Die Physik hinter solchen Schichten erscheint sehr komplex und überraschend“, ist Laines Fazit. In Zukunft wollen die Wissenschaftler auch an dieser Fragestellung arbeiten.