Einleitung

Polarlichter entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes auf Sauerstoff- und Stickstoffatome in der Erdatmosphäre treffen und diese dadurch zum Leuchten anregen. Die unterschiedlichen Farben des Leuchten hängen vom Element und von der Höhe dieses innerhalb der Atmosphäre ab.

Grundwissen

Polarlichter entstehen in einer Höhe von 100 km bis 200 km, wo die Atmosphäre nur noch aus atomaren Sauerstoff und molekularen Stickstoff besteht.
Geladene Teilchen des Sonnenwindes heben die Elektronen der Sauerstoff- und Stickstoffatome auf ein höheres, instabiles Energieniveau an. Sobald die Elektronen der Atome wieder in ihren Grundzustand zurückfallen, geben sie Energie in Form von Strahlung - Licht - ab. Jedoch kann jedes Element nur bestimmte Farben abgeben. Jedes Atom hat seinen einzigartigen farblichen Fingerabdruck, auch Spektrallinie genannt. Blaues und violettes Licht ist energiereicher als gelbes und rotes Licht.
Jede Farbe eines Elements steht für ein Energieniveau. Elektronen, die von höheren Energieniveaus fallen, geben energiereichere Strahlung ab.

Erklärung

Ab einer Höhe von ca. 100 km kommt es zu einer Entmischung der Atmosphäre in ihre Bestandteile gemäß deren Dichte. Dadurch kommen in Höhen zwischen ca. 100 km und 150 km hauptsächlich molekularer Stickstoff und wenige atomare Sauerstoffatome vor und in Höhen zwischen ca. 150 km bis 200 km nur noch atomarer Sauerstoff.

Sauerstoff leuchtet sowohl im grünen und als auch im roten Bereich.

Das rote Leuchten des Sauerstoffs entsteht hauptsächlich oberhalb von etwa 150 km, da die bereits angeregten Sauerstoffatome hier genügend Zeit haben ihre Energie abzugeben ohne diese durch Zusammenstöße mit anderen Sauerstoffatome zu verlieren.

Das grüne Leuchten des Sauerstoffs kommt hauptsächlich unterhalb von ungefähr 150 km vor: Die bereits angeregten Sauerstoffatome erhalten hier zusätzlich Energie durch Zusammenstöße mit Stickstoffmoleküle und gelangen so auf ein noch höheres Energieniveau. Die geladenen Teilchen des Sonnenwindes allein übergeben nicht genügend Energie an das Sauerstoffatom, um das nötige Energieniveau aus dem Grundzustand zu erreichen.

Stickstoff selbst kann violettes und blaues Licht ausstrahlen. Dies kommt aber nur bei sehr energiereichen Sonnenwinden vor.

Zusammenfassung

• Polarlichter treten hauptsächlich in ca. 100 km bis 200 km Höhe auf.
• Ab einer Höhe von ca. 100 km kommt es zu einer Entmischung der Atmosphäre
• Ohne Zusammenstöße strahlt das Sauerstoff rotes Licht aus.
• Stößt das angeregte Sauerstoffatom mit anderen Stickstoffmoleküle zusammen, leuchtet es grün.
• Angeregte Stickstoffmoleküle verursachen ein blaues und violettes Leuchten, jedoch nur bei sehr energiereichen Sonnenwinden.

Dieser Blogeintrag wurde von dhos Frage inspiriert.