Allgemeines
Polarlichter sind Leuchterscheinungen, die durch den Sonnenwind verursacht werden. Der Sonnenwind führt elektrisch geladene Teilchen mit sich, die beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre die dort vorhandenen Luftmoleküle zum Leuchten anregen. Dies geschieht in Höhen zwischen 60 und ca. 400 km.
Zusammenhang mit der Lorentz-Kraft
Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben. Die Region, in der dieses Feld die dominierende Rolle im interplanetaren Zusammenhang spielt, nennt man Magnetosphäre. Dieses Feld wird zur Sonne hin vom Sonnenwind begrenzt, der selbst ein magnetisches Feld mit sich führt und kontinuierlich strömt. Dabei trägt es Elektronen (und auch Protonen) mit sich. Auf der anderen Seite wird das Magnetfeld der Erde in die Länge gezogen und wie ein Kometenschweif verformt.
Durch das Magnetfeld können diese Teilchen nun nicht bis auf die Erdoberfläche durchdringen. Treffen die Elektronen parallel zu den magnetischen Feldlinien der Erde ein, so erfahren sie keine Kraft und strömen an der Erde vorbei. Beim senkrechten Auftreffen werden sie durch die Lorentz-Kraft auf eine Kreisbahn gezwungen, bis sie den Einflussbereich des Magnetfeldes der Erde verlassen und dann wieder zurückkehren.
Interessant wird das schräge Eintreffen der Elektronen, bei dem diese sich – ebenfalls durch die Lorentz-Kraft – auf schraubenlinienförmigen Bahnen in Richtung der magnetischen Pole bewegen. Das Magnetfeld ist, wie oben beschrieben, inhomogen, was sich durch eine Verdichtung der Feldlinien zum Pol hin ausdrückt. Dadurch wird das Elektron beim Annähern an den Pol immer schneller
An einem bestimmten Punkt nahe dem Pol macht das Elektron kehrt und wandert auf der gleichen magnetischen Feldlinie zurück. Es beweget sich zum anderen Pol, an dem sich derselbe Vorgang vollzieht. Dabei nimmt es an Geschwindigkeit zu und wenn diese groß genug ist, erreicht es den Umkehrpunkt erst innerhalb der Atmosphäre. Dabei kann es mit den Sauerstoff- und Stickstoffatomen der Atmosphäre kollidieren und es kommt zu Energieübertragungen, die die Luftmoleküle ionisieren und zum Leuchten bringen.
