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Polarlichter entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwinds aus der Magnetosphäre (hauptsächlich Elektronen, aber auch Protonen) auf Sauerstoff- und Stickstoffatome in den oberen Schichten der Erdatmosphäre treffen und diese ionisieren. Bei der nach kurzer Zeit wieder erfolgenden Rekombination wird Licht ausgesandt.
Die Energie stammt ursprünglich aus Emissionen der Sonne. Sie sendet ein elektrisch geladenes Plasma mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 500 bis 800km/s und einer Dichte von ca. 5 × 106 Teilchen pro Kubikmeter aus.
Aufgrund des Abstandes von der Sonne zur Erde, rund 150 Millionen Kilometer, benötigt das Sonnenwindplasma bis zum Auftreffen auf die Erdmagnetosphäre zwei bis vier Tage. Die auftreffenden Sonnenwindpartikel stauchen die Erdmagnetosphäre auf der sonnenzugewandten Seite und ziehen sie auf der abgewandten Seite zu einem langen Schweif aus. Durch die Bewegung des Magnetfeldes gegenüber den geladenen Teilchen werden darin Ströme induziert. Wenn die Plasmateilchen bis in die Atmosphäre herunterströmen, regen sie bei Kollisionen die verdünnten Gase in hohen Schichten der Atmosphäre an. Diese emittieren beim Abfallen der Erregung ein Fluoreszenzlicht.
Polarlichter können sowie am Nord- wie auch am Süd Polen auftreten.