Birkelands Terrella 

Birkelands Terrella

Kristian Birkeland, ein norwegischer Physiker griff 1895 eine Idee Gilberts auf und stellte eine Terrella - eine die Erde symbolisierende magnetische Kugel - in eine gläserne Vakuumkammer. Dann zielte er mit einem Elektronenstrahl (ganz ähnlich dem in einer Fernsehbildröhre) auf die Terrella - und beobachtete die Bahn der Elektronen anhand der Leuchtspur, die sie in der Restluft der Kammer hinterließen. Das Leuchten folgte den magnetischen Feldlinien (Kraftlinien) und lief nahe der Pole der Terrella zusammen.

War das ein Schlüssel zu der Frage, warum Polarlicht gewöhnlich nur in einem begrenzten Abstand von den magnetischen Polen sichtbar ist?

In der Tat war es das. Der französische Mathematiker Henri Poincaré -- und 50 Jahre später Hannes Alfvén in Schweden in größerer Ausführlichkeit -- analysierten die Bewegung solcher Elektronen und schlußfolgerten, daß diese von den magnetischen Feldlinien geführt wurden, wie Perlen, die auf einer Schnur aufgefädelt waren. Sein Terrella-Experiment führte Birkeland zu der Vermutung, das Polarlicht würde von Elektronen hervorgerufen, die durch das Erdmagnetfeld auf die Polkappen der Erde hingeführt würden und beim Auftreffen auf die obere Atmosphäre ein Leuchten hervorriefen. Wie sich herausstellen sollte, war die Sonne nicht die Quelle, doch der Rest der Vermutung kam der Wahrheit schon recht nahe. 

Der Ringstrom 

Alfvén hatte eine Theorie für die Entstehung dieses Stroms. Geladene Teilchen wie Ionen und Elektronen wurden durch  magnetische Feldlinien nicht nur geführt, sondern während sie an diesen entlang glitten (genauer gesagt, während sie die Feldlinien auf spiralförmigen Bahnen umkreisten), wurden sie zudem von Regionen mit stärkeren Feldern abgestoßen. 

Bahn der Bewegung eines  eingefangenen Teilchens

Die magnetischen Feldlinien der Erde erstrecken sich genau wie die eines Stabmagneten von der Umgebung eines Pols zu der des anderen. Die magnetische Kraft ist auf halbem Wege zwischen diesen "Fußpunkten" am geringsten, genau dort, wo die Feldlinien den größten Abstand zur Erde haben. Elektronen und Ionen können in diesem schwachen Feld eingefangen werden und prallen anschließend zwischen den Polarregionen hin und her, weil sie jedesmal reflektiert werden, wenn sie versuchen in das stärkere Feld nahe der Erdoberfläche einzudringen.

Man kann außerdem zeigen, daß die Teilchen durch einen sekundären Prozeß nicht exakt an eine Feldlinie gebunden bleiben, sondern langsam von einer Feldlinien zu einer benachbarten überwechseln, wodurch sie langsam den Erdball umkreisen. Von einer fernen Position auf den Nordpol geschaut, bewegen sich positive Ionen im Uhrzeigersinn und die negativen Elektronen entgegengesetzt. Aber wenn sich positive und negative Ladungsträger in unterschiedliche Richtungen bewegen, so entspricht dieses einem elektrischen Strom. Genau diese Theorie schlug S.F. Singer 1957 zur Erklärung des  Ringstromes während magnetischer Stürme vor. 

Strahlungsgürtel

Gliederung der Magnetosphäre

Die Energiequelle des Ringstromes und aller damit verbundenen Phänomene war - so stellte sich heraus - der Sonnenwind  - ein beständiger Strom von Ionen und Elektronen, die aus der Sonnenoberfläche, der Millionen Grad heißen Korona, nach allen Richtungen ausgeschleudert werden. Der Sonnenwind komprimiert die irdischen Magnetfeldlinien auf der Tagseite und beschränkt sie auf einen gerundeten Hohlkörper. Auf der gegenüber liegenden Nachseite dehnt der gleiche Sonnenwind die Feldlinien zu einem langen "Magnetschweif" wodurch die Höhlung zu einem langgestreckten Zylinder deformiert wird.
Magnetische Strürme entstehen, wenn der Sonnenwind z.B. durch explosive Ereignisse in Verbindung mit Sonnenflecken ungewöhnlich schnell oder dicht wird.

Im Magnetschweif gibt es viele aktive Phänomene und Störungen der Magnetosphäre - die kurz unter dem Namen "space weather" - Weltraumwetter - zusammengefaßt werden. Von besonderem Interesse ist die sogenannte Plasmaschicht, eine dicke Schicht im Raum schwacher magnetischer Felder erstreckt, welcher sandwichartig zwischen zwei Bündeln magnetischer Feldlinien eingebettet ist. Ein Bündel nördlich des Äquators besteht aus Feldlinien, die in Richtung Nordpol verlaufen, das andere Bündel südlich des Äquators verläuft genau spiegelbildlich, nur daß die Feldlinien vom Südpol weg verlaufen. Aus der Plasmaschicht stammen nicht nur die Partikel des Ringstromes, sondern von dort aus schubsen magnetische Teilstürme auch Teilchen erdwärts und rufen hell leuchtende Polarlichter hervor. 

Das Polarlicht

Sonnenwind     Dynamo

Elektrische Ströme müssen natürlich in einem geschlossenen Kreis fließen, doch wir wissen noch immer sehr wenig darüber, wie sich der Stromkreis Weltall - Erde - Weltall in weiter Ferne schließt. Für einige dieser Ströme hat man eine populäre Erklärung, die vermutlich eine unzulässige Vereinfachung ist - aber immerhin: Die entfernten Enden der Feldlinien, an denen der Strom entlnagfließt, tauchen in den Sonnenwind ein (der leitfähig ist), ganz ähnlich wie die Drähte, die Faraday damals in das Wasser unter der Waterloo-Brücke tauchte (siehe Abschnitt über Dynamos). Dies würde einen Dynamo hervorrufen, der von der Energie des Sonnenwindes getrieben wird.

Das Polarlicht wird durch Elektronen erzeugt, die sich auf ihrem Strompfad erdwärts bewegen. Sie werden durch die treibende Spannung beschleunigt und prallen auf Sauerstoff- und Stickstoff-Atome wenn sie in dichtere Atmosphärenschichten gelangen. Durch den Aufprall werden die Atome zum Leuchten angeregt, dessen Färbung dem Spektrum des jeweiligen Elements entspricht. Das typische  grünliche Leuchten des Polarlichts rührt vom Sauerstoff  her.

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