Entstehung der Polarlichter
In einer bestimmten Distanz von der Erde kehren die Teilchen um und wandern auf denselben magnetischen Feldlinien in einer Aufwärtsbewegung wieder zurück.
Die geladenen Teilchen dringen dabei bei hohen geographischen Breiten (65°-75°) in die Atmosphäre ein. Dabei kollidieren sie in Höhen von 70 bis 1000 km mit den Stickstoff- und Sauerstoffatomen der sehr dünnen Lufthülle. Bei diesen Zusammenstößen wird Energie frei und die Atome werden, ähnlich dem Prozess in der Wehneltröhre, zum Leuchten angeregt. Wir sehen dieses Leuchten dann als Polarlichter.
Erklärung:
Um die folgenden Prozesse zu vereinfachen, sprechen wir ab jetzt nicht mehr über „geladene Teilchen des Sonnenwindes“ sondern von Elektronen.
- Treffen die Elektronen parallel zu den magnetischen Feldlinien der Erde ein, so erfahren sie keine Kraft, sie werden nicht abgelenkt und strömen an der Erde vorbei.
- Treffen die Elektronen jedoch senkrecht zum Erdmagnetfeld ein, so können die Teilchen dort kaum eindringen. Die im Erdmagnetfeld bewegten Elektronen erfahren die Lorentzkraft, welche bei senkrechtem Einschuss zum Magnetfeld als Zentripetalkraft wirkt, die die Elektronen auf eine Kreisbahn zwingt. Die Elektronen beschreiben nun diese Kreisbahn, bis sie den Einflussbereich des Erdmagnetfeldes verlassen. Dann behalten sie nach dem Trägheitsgesetz ihre Richtung und Geschwindigkeit bei. Man kann also sagen, dass senkrecht auftreffende Elektronen von dem Magnetfeld der Erde ab- und zurückgelenkt werden.
- Wenn die Elektronen allerdings schräg eintreffen, überlagern sich, wie wir schon wissen ungestört zwei Bewegungen:
senkrecht zu
, wie eben erklärt, eine Kreisbewegung und parallel zu 
eine gleichförmige Bewegung. Zusammen ergibt sich eine schraubenlinienförmige Bahn. Die Elektronen winden sich also schraubenlinienförmig um die magnetischen Feldlinien in Richtung des magnetischen Pols.
Bei dem Erdmagnetfeld handelt es sich nun allerdings um ein inhomogenes Feld. Hier konvergieren die Feldlinien zum Pol hin d.h die Feldliniendichte nimmt zu. Das Magnetfeld wird dem zu Folge zum Pol hin stärker.
Folge ist, dass der Schraubendurchmesser und die Ganghöhe bei Annäherung an die Erde immer kleiner werden:
- Radius:
Die Lorentzkraft bringt, wie schon erwähnt, die für die Kreisbahn notwendige Zentripetalkraft auf.
= 
(da 
)
(
wird größer 
der Nenner wird größer und damit r kleiner)
- Ganghöhe:
In der Zeit T in der ein Elektron senkrecht zu
einen Kreisumfang zurücklegt, bewegt es sich parallel zu 
gleichförmig um die Ganghöhe h weiter.
Ganghöhe
(1) (gleichförmige Bew.: 
)
Umlaufdauer: gleichförmige Kreisbewegung, da
während einem Kreisumlauf nahezu konstant ist:
Aus
(hier: 
)
mit der oben hergeleiteten Formel:
(2)
(2) in (1): Ganghöhe:
= 
Wir sehen, dass
im inhomogenen Feld im Gegensatz zum homogenen Feld zum Pol hin zunimmt.
nimmt zu und 
nimmt ab.
wird größer; 
wird mit zunehmender Magnetfelddichte kleiner 
der Nenner wird größer, der Zähler kleiner und damit auch die Ganghöhe h kleiner.
Zu den zwei bisherigen zwei Teilbewegungen (Kreisbewegung senkrecht zu und gleichförmige Bewegung parallel zu) kommt nun eine weitere dazu, die die Elektronen kurz vor dem Pol zum Umkehren veranlässt. Sie wandern auf derselben magnetischen Feldlinie wieder zurück zum anderen Pol, wo ihnen wiederrum das Gleiche passiert.
Um dies zu verstehen, muss man sich das Verhalten eines Elektrons in umittelbarer Nähe der Pole genauer ansehen:
Die Gesamtenergie der Elektronen bleibt im Magnetfeld erhalten:
konstant.Die Kreisbewegung der Elektronen senkrecht zu
, die sogenannte Gyrationsgeschwindigkeit, wird beim Annähern an den Pol immer schneller:Wie oben beschrieben (siehe Skizze), wird
beim inhomogenen Feld zum Pol hin größer.Damit nimmt auch
beständig zu. Im Gegenzug wird 
immer kleiner, da die Gesamtenergie stets konstant bleibt. Irgendwann ist die Komponente 
= 0 und damit auch 
= 0, welches für die gleichförmige Bewegung Richtung des Pols verantwortlich ist.
Dann passiert folgendes:
im Punkt P, nahe dem Magnetpol, kann zerlegt werden in eine Komponente 
nach oben, die für die Kreisbewegung verantwortlich ist und eine Komponente 
nach rechts, welche ein Umkehren der Elektronen in Polnähe bewirkt.Die Elektronen umkreisen nun im konstantem Abstand zum Pol die magnetischen Feldlinie. Die am Nordpol nach rechts außen gerichtete Komponente
verursacht an jeder Stelle dieser Kreisbahn nach der Drei-Finger-Regel der linken Hand eine zusätzliche Lorentzkraft 
vom Pol weg, was eine dritte Teilbewegung zur Folge hat. Deshalb machen die Elektronen kehrt und drehen kurz vor dem Pol um, wandern auf der gleichen magnetischen Feldlinie zurück, winden sich zum Südpol, wo ihnen das gleiche widerfährt. Die Elektronen sind also sozusagen im Magnetfeld gefangen. Die Teilchen pendeln in einigen Minuten zwischen Nord- und Südpol der Erde hin und her.Wenn die Geschwindigkeit der geladenen Teilchen groß genug ist, dann erreichen sie den Umkehrpunkt erst innerhalb der Atmosphäre und können dabei mit den Sauerstoff- und Stickstoffatomen der Atmosphäre kollidieren. Durch die Stoßaßanregungen kommt es dabei zu Energieübertragungen, die die Luftmoleküle ionisieren und zum Leuchten angeregen. Wir sehen dieses Leuchten dann als Polarlicht.
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