Polarlicht am Tag sehen

Bei Tageslicht lässt sich ein Polarlicht mit bloßem Auge nicht erkennen, in der Dämmerung aber sehr wohl, sobald die Sonne weit genug abgetaucht ist. Wie weit, entscheidet die Stärke des Leuchtens: Ein kräftiges Polarlicht taucht ab etwa 9 Grad Sonnentiefe auf, die allerhellsten Erscheinungen schon bei 6 Grad, schwache brauchen mehr als 13 Grad.

Das Phänomen selbst kennt keine Uhrzeit. Elektronen und Protonen aus dem Sonnenwind treffen rund um die Uhr auf die Hochatmosphäre, und das grüne Leuchten in 100 bis 150 Kilometern Höhe entsteht um 12 Uhr mittags genauso wie um Mitternacht. Nur geht es im Mittagslicht unter, wie eine Kerze neben einem Flutlichtstrahler.

Dass die Tagseite trotzdem erforscht wird, liegt an einem Ort auf Spitzbergen. In Longyearbyen steht die Sonne Anfang Dezember zur Mittagszeit knapp 10 Grad tief, die Polarnacht hält dort vom 14. November bis Ende Januar an. Genau um diese Stunden liegt die magnetische Öffnung der Magnetosphäre, der sogenannte Kuspenbereich, über der Station, und Kameras fangen ein rötliches Leuchten ein, das in Mitteleuropa niemand zu Gesicht bekäme. Das Mittagsrot ist also Realität, nur ein gewöhnlicher Himmel sitzt davor. Warum das so ist und wie sich die nötige Dunkelheit ausrechnen lässt, zeigen die folgenden Abschnitte.

Warum der Mittagshimmel jedes Polarlicht verschluckt

Polarlicht ist erstaunlich schwach. Seine Helligkeit wird in Rayleigh angegeben, einer Einheit für die Photonenrate einer Luftsäule: 1 Rayleigh sind zehn Milliarden Photonen je Quadratmeter und Sekunde, in alle Richtungen abgestrahlt. Beobachter sortieren Erscheinungen in vier Stufen, von 1000 Rayleigh (etwa die Helligkeit der Milchstraße) über 10.000 und 100.000 bis zu einer Million Rayleigh, was der Leuchtdichte von hellen Wolken im Vollmondlicht entspricht.

Wird die grüne Linie bei 557,7 Nanometern in die Einheit Candela je Quadratmeter umgerechnet, bleiben für die stärkste Stufe rund 0,19 übrig, für die schwächste 0,00019. Ein blauer Mittagshimmel kommt auf etwa 5000. Zwischen dem hellsten denkbaren Polarlicht und dem Tageshimmel liegt demnach ein Faktor von 26.000, gut elf Größenklassen. Der dunkle Nachthimmel liegt dagegen bei 0,00017, also in derselben Größenordnung wie das schwächste Polarlicht, weshalb sich selbst schwache Bögen im Dunkeln so gut abheben.

Dazu kommt die Physiologie. Im Tageslicht ist die Pupille eng, die Netzhaut arbeitet mit den Zapfen, und ein Helligkeitsunterschied wird erst ab einigen Prozent des Hintergrunds überhaupt bemerkt. Ein Leuchten, das den Himmel um ein Zehntausendstel aufhellt, geht spurlos unter. Die Elektronen, die das Licht auslösen, ionisieren die Luft übrigens nach demselben Prinzip wie bei den Teilchenspuren in der Nebelkammer, nur in 100 Kilometern Höhe und mit Leuchten statt Nebeltröpfchen als Anzeige.

Sonnentiefe berechnen am Beispiel Tromsø

Für eine brauchbare Faustregel muss das Polarlicht den Himmel um mindestens fünf Prozent aufhellen, ein vorsichtiger Ansatz, denn das dunkeladaptierte Auge kommt unter Umständen mit weniger aus. Die Himmelshelligkeit wird in Größenklassen je Quadratbogensekunde gemessen, je höher der Wert, desto dunkler. Im Zenit liegt sie bei 6 Grad Sonnentiefe bei etwa 11 und wächst grob um eine Größenklasse je weiterem Grad. Diese Werte sind Näherungen, und Dunst, Schnee am Boden oder ein heller Mond verschieben sie.

Zum Nachrechnen der Grenzen für jede Stufe dient diese Folge:

1. Stärkste Stufe mit 0,19 Candela je Quadratmeter: Der Himmel darf höchstens zwanzigmal so hell sein, also 3,9. Das sind 11,1 Größenklassen und rund 6 Grad Sonnentiefe.
2. Starkes Polarlicht mit 100.000 Rayleigh (0,019): erlaubt sind 0,39, das entspricht 13,6 Größenklassen und 8,6 Grad.
3. Mittleres Polarlicht mit 10.000 Rayleigh (0,0019): erlaubt sind 0,039, also 16,1 Größenklassen und 11 Grad.
4. Schwaches Polarlicht mit 1000 Rayleigh (0,00019): erlaubt sind 0,0039, das ergibt 18,6 Größenklassen und 13,6 Grad.
5. Tromsø liegt bei 69,65 Grad Nord. Am 21. Dezember steht die Sonne mittags 3,1 Grad unter dem Horizont. Die 8,6 Grad werden gut drei Stunden später erreicht, also gegen 14:45 Uhr Ortszeit.

Am frühen Nachmittag in Tromsø nach oben zu schauen heißt deshalb, meist nur ein dunkelblaues Dämmerband, während ein starkes Polarlicht schon im Kommen sein kann. In Longyearbyen am 1. Dezember sind es dagegen bereits mittags 9,9 Grad, und das starke Polarlicht liegt damit über der Schwelle. Ein Beispiel aus der Gegenrichtung liefert der Sommer: Bei Mitternachtssonne bleibt die Sonne in Tromsø mit mindestens 3,1 Grad über dem Horizont, und die Saison fällt komplett aus. Selbst ein Ausbruch, der im Winter den ganzen Himmel füllen würde, bliebe dann ohne jede Chance auf Sichtung, weil der Hintergrund die Schwelle um mehrere Größenordnungen überschreitet.

Wo die Regel ins Wanken gerät

Die Rechnung gilt für das bloße Auge und ein Polarlicht im Zenit. Das Ergebnis verschiebt sich, sobald einzelne Bedingungen anders ausfallen, und manche Abweichungen sind größer, als die Faustregel vermuten lässt. Ein Polarlicht, das tief im Norden über dem Horizont steht, wird zum Beispiel durch die längere Sichtlinie durch die Luft zusätzlich geschwächt, während der Himmel dort in der Dämmerung nicht sehr viel dunkler ist als im Zenit. Das kostet in der Praxis ein bis zwei Grad Sonnentiefe. Ähnlich wirkt Dunst über dem Horizont, der das Licht des Polarlichts auf dem Weg zum Auge streut, während der Dämmerungshimmel davon kaum ärmer wird.

Nützlich ist ein Blick auf die Messtechnik der Forscher, denn sie erklärt, warum Kameras mehr sehen als Augen. Ein Schmalbandfilter lässt nur ein winziges Wellenlängenfenster durch. Streulicht der Sonne verteilt sich über das gesamte Spektrum, ein Polarlicht strahlt dagegen in einzelnen Linien, die das Filterfenster vollständig passieren. Bei 2 Nanometer Filterbreite gegen rund 300 Nanometer Spektrum des Tageslichts bleibt vom Himmel nur ein Hundertfünfzigstel, das sind 5,4 Größenklassen und damit etwa fünf Grad Sonnentiefe, die das Gerät dem Auge voraushat.

• Vollmond hellt den Himmel so weit auf, dass die schwächste und häufig auch die mittlere Stufe verschwinden, selbst mitten in der Nacht.
• Eine Wolkendecke unter dem Polarlicht wird in der Dämmerung von unten und oben angestrahlt und wirkt viel heller als ein wolkenloser Himmel, das Leuchten dahinter ist nicht zu erkennen.
• Schnee im Gelände streut Restlicht der Dämmerung zurück und erhöht die Hintergrundhelligkeit um bis zu 50 Prozent gegenüber schneefreiem Boden.
• Der Polartag macht Beobachtungen zwischen Mai und Juli in Nordnorwegen unmöglich, die Polarlichtsaison beginnt dort erst Ende August.

Strahlenspitzen im Sonnenlicht

Ein hübscher Nebeneffekt der Dämmerung: Die Erdschatten-Grenze liegt über dem Beobachter in einer Höhe, die sich mit h = 6371 Kilometer mal (1 geteilt durch Kosinus der Sonnentiefe minus 1) ausrechnen lässt. Bei 6 Grad sind es 35 Kilometer, bei 9 Grad 79 Kilometer, bei 12 Grad 142 Kilometer und bei 14 Grad rund 195 Kilometer. Das grüne Leuchten beginnt bei 100 Kilometern. Solange die Sonne nicht tiefer als 10 Grad steht, liegt es also komplett im Sonnenlicht, und erst darüber verschwindet das untere Ende im Schatten der Erde.

Die roten Anteile in 200 bis 400 Kilometern Höhe stehen noch bei 14 bis 18 Grad Sonnentiefe in der Sonne. Dort verstärkt das Sonnenlicht ein violettes Leuchten ionisierter Stickstoffmoleküle, das bei längerer Dämmerung am oberen Rand der Strahlen als blasser Saum zu erkennen ist. Bei Satelliten im Ultraviolett gibt es diese Beschränkung nicht, ihre Kameras zeigen den Polarlichtring auf der Tagseite genauso wie auf der Nachtseite, der Ring ist stets vollständig.

Wo die Mittagsdämmerung sehr tief ausfällt, wie auf Spitzbergen im Dezember, wird das Phänomen zum Forschungsobjekt. Ein Polarlicht bei Tageslicht bleibt für das Auge unerreichbar, ein dunkler Dämmerhimmel genügt aber, und das Leuchten kommt allein aus der Physik der Hochatmosphäre.