Lichtquellen

 
Extraterrestrische Lichtquellen sind vor allem die Sonne und der Mond (Mondlicht ist reflektiertes Sonnenlicht), aber auch die helleren Planeten und Sterne tragen, wenn auch nur in sehr geringem Maße, Licht in unsere Atmosphäre ein.

Sonne
Sonne, kurz vor totaler Sonnenfinsternis (Gündogdu, Türkei, 29.3.2006)
Mond
Mond, kurz nach totaler Mondfinsternis (Wien, 16.6.2011)


Lichtspektrum
Das Sonnenlicht umfasst violette (380-440nm), blaue (440-490nm), grüne (490-560nm), gelbe (560-590nm),
orange (590-620nm) und rote (620-750nm) Lichtanteile, welche sich additiv zu einem weißen Licht mischen.

 
Innerhalb unserer Lufthülle wird Licht unter anderem durch folgende Mechanismen erzeugt:

  • Emission durch Funkenentladung
  • Emission durch Rekombination
  • Emission durch Lumineszenz

Funkenentladung beobachten wir z.B. bei Gewitterblitzen, bei denen durch Stromfluss stark erhitzte Luft elektromagnetische Strahlung (inkl. Licht) aussendet. An der Lichtemission im heißen Blitzkanal sind dabei aber weniger die Hauptbestandteile der Atmosphäre, molekularer Stickstoff und molekularer Sauerstoff, beteiligt, sondern vielmehr Stickstoff- und Sauerstoffatome, überwiegend in geladener Form. Dies ist auf Stoßdissoziationen (Zerlegung von Molekülen in ihre atomaren Bestandteile) und Stoßionisationen (Herauslösen von Elektronen und damit Umwandlung neutraler Partikel in positiv geladene Ionen) zurückzuführen. Zu diesen intensiven chemischen Prozessen kommt es aufgrund der außergewöhnlich hohen Temperaturen und Bewegungsenergien der Partikel im Blitzkanal, welche zwangsläufig eine hohe Zusammenstoßrate der Teilchen untereinander nach sich ziehen muss. Für das Zustandekommen von Funkenentladungen in der Atmosphäre sind dann mehrere Faktoren entscheidend, u.a. die elektrische Feldstärke der Luft [V/m], die Luftfeuchtigkeit (feuchte Luft begünstigt den Überschlag) sowie die Form der Leiterenden (spitze Gegenstände wie z.B. Antennenmasten sind bevorzugt). Blitzentladung
Gewitter (Wien, 27.6.2006)

Lichtemission durch Rekombination (das „Rekombinationsleuchten“) sehen wir z.B. beim Eintritt eines Meteoroiden, wenn er zumindest bis in die mittleren Schichten der Atmosphäre vordringt. Meteoroide sind meist Kleinteile von Kometen oder Kleinkörper, die aus dem Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter herausgeschleudert wurden. Teilweise handelt es sich aber auch um Material, das von der Mars- oder Mondoberfläche in das Weltall gelangt ist. Tritt ein Meteoroid in die Erdatmosphäre ein, so wird er durch den Effekt der Reibung von seiner ursprünglichen Geschwindigkeit, die in der Regel 11km/s bis 73km/s beträgt, abgebremst und dabei erhitzt, wodurch er in den meisten Fällen noch in der Thermosphäre vollständig verglüht. Erst ab einem Durchmesser von ~1mm bis ~1cm können Meteoroide fallweise bis in die obere oder mittlere Mesosphäre vordringen und erzeugen dann eine Leuchtspur, die als „Meteor“ oder „Sternschnuppe“ bezeichnet wird. Zur Leuchterscheinung kommt es dabei durch die Ionisation stark aufgeheizter atmosphärischer Bestandteile und des verdampften Meteoroidenmaterials sowie der darauf unmittelbar folgenden Rekombination (daher der Begriff „Rekombinationsleuchten“) von positiv geladenen Ionen und Elektronen zurück zu Neutralgasbestandteilen, welche mit der Aussendung von Photonen (Licht) einhergeht. Dabei zeichnet jedoch für die starke Hitzeentwicklung weniger die Reibung sondern vielmehr der hohe Strömungsdruck an der Vorderseite des Meteoroides, wo es zur Ausbildung einer Schockfront kommt, verantwortlich. Wird ein Meteor heller als die hellsten Planeten und Sterne, so spricht man von einer „Feuerkugel“. Die beeindruckende Lichterscheinung ist dabei nicht mehr ausschließlich auf Rekombinationsprozesse sondern auch auf die Abtragung glühenden Meteoroidenmaterials zurückzuführen. Noch hellere, extrem stark aufleuchtende Meteore werden „Boliden“ genannt. Sie entstehen aus Meteoroiden mit Anfangsdurchmessern von mehreren Metern. Solche Brocken dringen tief in unsere Lufthülle bis zur Stratosphäre vor und zerbersten durch die Einwirkung der immer dichter werdenden Luftschichte in zahlreiche Teile, die anschließend im freien Fall zu Boden sinken. Dies passiert meist in Form einer oder mehrerer, in seltenen Fällen auch schwerer Explosionen, die bei extremen Ereignissen nur einige Kilometer über der Erdoberfläche stattfinden. Die davon ausgehende Druckwelle kann unter Umständen den Erdboden erreichen und dabei signifikante Schäden verursachen.

Lichtemission durch Lumineszenz zeigt sich uns z.B. als Himmelsleuchten (Airglow) oder in spektakulärerer Form als Polarlicht. In beiden Fällen werden Partikel der hohen Atmosphäre zunächst in einen angeregten Zustand übergeführt, d.h. Elektronen von Molekülen oder Atomen werden von ihren angestammten Energieniveaus auf mögliche höherenergetische befördert. Da diese Situation instabil ist, fallen die Elektronen nach einem gewissen Zeitraum (Sekunden bis Minuten) wieder auf ein niedrigeres Energieniveau oder auf den Grundzustand zurück. Dabei wird entsprechend der Energiedifferenz zwischen den beiden Energieniveaus elektromagnetische Strahlung genau festgelegter Wellenlänge ausgesendet. Diese ist dann charakteristisch sowohl für die Substanz und deren Ladungszustand als auch für deren Anregungsstufe. Unterschiedlich verhält sich der Anregungsmechanismus. Bei Polarlichtern sind es im Wesentlichen freie Elektronen, die mit hohen Geschwindigkeiten aus der nachtseitigen Magnetosphäre in die Ionosphäre einfallen bzw. auch Protonen aus dem Sonnenwind, die über die tagseitigen polnahen Regionen in die Atmosphäre gelangen, um dann mit den dort vorhandenen Luftpartikeln zu kollidieren. Das Himmelsleuchten ist im Gegensatz dazu auf die Anregung durch hochfrequente solare Strahlung im Röntgen- sowie extremen Ultraviolettbereich in Verbindung mit chemischen Reaktionen zurückzuführen.

Typische Farben des Himmelsleuchtens sind gelbgrün (aus atomarem Sauerstoff) sowie rot (ebenfalls atomarer Sauerstoff, aber auch Hydroxyl-Radikal). Sehr selten treten auch Blautöne (molekularer Sauerstoff) oder eine gelborange Farbe (Natrium) auf. Da zumindest die anregende solare Strahlung auf die sonnenzugewandte Tagseite der Erde begrenzt ist, zeigt sich das Himmelsleuchten nachts nur schwach als diffuse Himmelsaufhellung, wobei die Farben im Normalfall für das Auge unsichtbar bleiben. Somit ist Airglow meist nur auf langzeitbelichteten Fotos nachweisbar. Hier können dann auch manchmal Band- und Fleckenstrukturen, die auf hochreichende Schwerewellen zurückzuführen sind (Lichtintensität variiert zwischen Hebungs- und Absinkzonen), identifiziert werden. Himmelsleuchten tritt in großen Höhen zwischen 85km und maximal 300km auf.

Das Polarlicht leuchtet in 100km bis 200km Höhe meist gelbgrün, in höheren Schichten, teils bis über 500km hinauf, auch rot, wobei für beide Farben neutraler atomarer Sauerstoff als emittierender Bestandteil auftritt. Knapp darunter ist bisweilen eine tiefrote Farbe von neutralem molekularen Stickstoff erkennbar, manchmal kann hier oder auch in anderen Höhenbereichen zudem eine blauviolette Farbe von ionisiertem molekularen Stickstoff ausgemacht werden. Polarlicht, welches in den tagseitigen polnahen Regionen auftritt, ist meist durch hochliegenden neutralen atomaren Wasserstoff rot gefärbt. Für das Auge wirken schwache Polarlichter meist farblos, erst aber einer gewissen Intensität erkennt man die gelbgrüne und rote Färbung, die anderen genannten Farbtöne sowie auch additiv erzielte Mischfarben offenbaren sich überwiegend erst auf langzeitbelichteten Fotos.

Andreas Pfoser, 26. Juli 2014

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