STEVE und andere aurora-ähnliche Leuchten verwirren Wissenschaftler mit ihrer komplexen Physik.

In den ländlichen Gebieten von Alberta, Kanada, nutzte Alan Dyer die reine Dunkelheit seines Hinterhofs, um wunderschöne Bilder eines seltenen Himmelslichts namens STEVE einzufangen. Normalerweise lässt er seine Kamera über mehrere Sekunden Licht sammeln, was STEVEs einzigartige Farbe hervorhebt, aber die kleineren Details beschönigt. Eine Gelegenheit im August 2022 veranlasste Dyer jedoch, eine andere Methode anzuwenden.

Er entschied sich dafür, mit seiner Kamera in das Himmelslicht hineinzuzoomen und STEVE mit hoher Detailgenauigkeit zu filmen, wobei er jede Sekunde 24 Schnappschüsse machte. Anstelle des bekannten, glatten Violetts zeigte das Filmmaterial STEVE als eine unregelmäßige, flackernde Flut violett-weißer Töne.

Obwohl Dyer den Anblick als weniger ästhetisch beschrieb, leitete er das Video an Toshi Nishimura, einen Weltraumphysiker an der Boston University, weiter, für den Fall, dass es wissenschaftlichen Wert hätte.

Nishimura war begeistert, eine so klare Sicht auf STEVE zu erhalten, stellte jedoch fest, dass die winzigen Details nicht mit den vorläufigen Vorstellungen der Wissenschaftler über die Atmosphärenchemie übereinstimmten, die dem Luftglühen zugrunde liegt. Dies lenkte unser Verständnis ab und verwirrte sie.

Eine solche Verwirrung ist typisch bei der Erforschung von STEVE, einem Akronym für Strong Thermal Emission Velocity Enhancement. Seitdem Bürgerwissenschaftler vor Jahren damit begonnen haben, ihre Bilder von STEVE zu präsentieren, hat dies mehr Fragen aufgeworfen als gelöst.

Bea Gallardo-Lacourt, Weltraumphysikerin am Goddard Space Flight Center der NASA, erklärte, dass jede neue Entdeckung über STEVE eine exponentielle Anzahl neuer physikalischer Fragen mit sich bringt.

Während eines Treffens der American Geophysical Union im Dezember in San Francisco präsentierte Nishimuras Team diese hochauflösende Ansicht von STEVE. Andere Wissenschaftler präsentierten verblüffende Beobachtungen über ein weiteres Nicht-Aurora-Himmelglühen, das sich in STEVE verwandelte. Etwas Klarheit kam in Form eines Computermodells, das die grünen „Lattenzaun“-Streifen erklären könnte, die manchmal unter STEVE hervortreten.

Claire Gasque, Weltraumphysikerin an der University of California in Berkeley, erklärte, dass das Verständnis von STEVE und dem Lattenzaun-Phänomen zum breiteren Gebiet der Weltraumphysik beitragen könnte. Da außerdem die Bedingungen in der Erdatmosphäre, in denen STEVE auftritt, Satellitenübertragungen beeinflussen können, könnten sich weitere Erkenntnisse über dieses Luftglühen auf praktische Anwendungen erstrecken.

Kanadische Polarlichtjäger stellten STEVE erstmals 2016 der Wissenschaftswelt vor. Sie stellten schnell fest, dass STEVE sich von einer Aurora unterscheidet – letztere erscheint in der Nähe der Erdpole, während erstere näher am Äquator erscheint. Alan Dyer bemerkte beispielsweise, dass Polarlichter normalerweise nördlich seines Standorts in Alberta auftreten, STEVE jedoch direkt über ihm erscheinen könnte.

Spätere Berichte brachten STEVE mit einem Strom geladener Teilchen in Verbindung, der sich mit hoher Geschwindigkeit durch die Atmosphäre bewegte und etwa 200 Kilometer über dem Boden das violette Leuchten erzeugte. Die genauen Moleküle, die für STEVEs unverwechselbaren Farbton verantwortlich sind, bleiben jedoch ein Rätsel, insbesondere angesichts der neuen Erkenntnisse, die Dyers Filmmaterial liefert.

Die intimen Details, die Dyer von STEVE aufgenommen hatte, zeigten einen klumpigen, gepunkteten violetten Bach, der mit etwa 9 Kilometern pro Sekunde nach Westen strömte. Vorübergehende Helligkeitsschwankungen traten innerhalb von Sekunden auf und verschwanden wieder, was bestehende Hypothesen noch komplizierter machte.

Nishimura schlug vor, dass der Start einer Rakete mit Sensoren durch STEVE dabei helfen könnte, die Moleküle zu identifizieren. Die Schwierigkeit liegt jedoch darin, vorherzusagen, wann und wo STEVE auftreten würde.

STEVE, ein einzigartiges Lichtphänomen, tritt häufig nach dem Höhepunkt von Teilstürmen auf, bei denen es sich um Störungen in der Magnetosphäre handelt, die zu unglaublichen Polarlichtern führen. Allerdings geht nicht jeder Teilsturm mit einem STEVE-Ereignis einher, und laut Untersuchungen von Gallardo-Lacourt und ihrem Team an der AGU ist nicht bei allen STEVE-Phänomenen ein Teilsturm erforderlich, um sich zu manifestieren.

Nishimura schlägt vor, dass ein tieferes Verständnis des Zusammenhangs zwischen STEVE und einem nicht-auroralen Luftglühen, das als stabiler Polarlichtbogen (SAR) bekannt ist, den Forschern helfen könnte, STEVE-Ereignisse besser vorherzusagen. Fotos von Bürgerwissenschaftlern deuten darauf hin, dass sich ein SAR-Bogen in STEVE verwandeln könnte.

Im März 2015 hat der Bürgerwissenschaftler Ian Griffin eine außergewöhnliche Polarlichtdarstellung in der Nähe von Dunedin, Neuseeland, eingefangen. Während dieses Ereignisses bemerkte Griffin ein breites, rotes Leuchten am Himmel, das in den als STEVE identifizierten malvenfarbenen Strang überging. Dieses Filmmaterial ermöglichte den Forschern die erste Beobachtung eines STEVE, der sich aus einem SAR-Bogen entwickelte. Über diesen Befund berichteten der Weltraumphysiker Carlos Martinis von der Boston University und sein Team im Juni 2022 in Geophysical Research Letters.

SAR-Bögen, ähnlich wie STEVE, werden seit vielen Jahren von Wissenschaftlern untersucht. Dieses Luftglühen, das näher am Äquator zu sehen ist als die Nord- und Südlichter, erstreckt sich von Ost nach West über den Himmel. Im Gegensatz zu STEVEs etwa einstündiger Show können SAR-Bögen den Himmel stunden- bis tagelang erhellen, obwohl sie für das bloße Auge im Allgemeinen schwach sind.

Wenn Störungen in der Magnetosphäre der Erde zu Kollisionen geladener Teilchen führen, die Tausende von Kilometern entfernt im Weltraum liegen, entstehen SAR-Bögen. Diese Kollision erzeugt Wärme, die in die Ionosphäre eindringt – die Schicht der Atmosphäre, in der STEVE lebt. Die dabei entstehende Wärme treibt Elektronen an, die Sauerstoffatome dazu anregen, rotes Licht freizusetzen, das etwa ein Zehntel so hell ist wie Polarlichter. Der von Griffin beobachtete SAR-Bogen war hell genug, um mit den roten Südlichtern mithalten zu können.

Das fesselnde Filmmaterial, das Griffin aufgenommen hat, veranlasste Megan Gillies von der Universität Calgary in Kanada und ihr Team, nach weiteren Fällen zu suchen, in denen sich STEVE aus SAR-Bögen entwickelt. Sie berichteten im März in Geophysical Research Letters über einen Fall, der vom Transition Region Explorer (TREx) Spectrograph am Lucky Lake, Saskatchewan, im April 2022 entdeckt wurde. Aus dem roten Schein eines SAR-Bogens entstand ein für STEVE charakteristischer hellvioletter Streifen, der etwa dreißig Minuten anhielt, bevor er wieder rot wurde.

Was dazu führt, dass sich nicht alle SAR-Bögen in STEVE verwandeln, ist unklar. Gillies vermutet, dass der Plasmastrom, der STEVE antreibt, eine Rolle spielt, da SAR-Bögen auch mit nach Westen fließendem Plasma in der Atmosphäre in Verbindung gebracht werden. Allerdings sind diese Plasmaströme langsamer als diejenigen, die STEVE antreiben. Daten eines Satelliten zeigten einen breiten Plasmastrom in der Atmosphäre, der sich verengte und zu einem für STEVE typischen Filament beschleunigte, während sich der im Jahr 2015 beobachtete SAR-Bogen zu STEVE entwickelte. Der Auslöser dieses Übergangs bleibt unbekannt, und was ihn noch komplizierter macht, ist die Beobachtung, dass STEVE- und SAR-Bögen nebeneinander existieren, aber scheinbar unabhängig voneinander funktionieren, wie Bürgerwissenschaftler beobachten konnten.

Gillies betont den Wert der Modellierung beim Versuch, diese Phänomene zu verstehen. Physiker können Computersimulationen nutzen, um zu überprüfen, ob ihre theoretische Physik Lichtmuster erzeugen kann, die STEVE ähneln. Diese Simulationen helfen auch dabei, ein weiteres STEVE-Rätsel zu lösen – den Ursprung des Lattenzauns.

Ursprünglich vermuteten Wissenschaftler, dass die grünen Streifen, die STEVE gelegentlich begleiten und als Lattenzaun bekannt sind, gewöhnliche Polarlichter seien. Allerdings deuteten die spezifischen Wellenlängen, die vom Lattenzaun ausstrahlten, darauf hin, dass es sich möglicherweise nicht um eine Aurora handelte (SN: 12.11.20).

Normale Polarlichter werden durch geladene Teilchenschauer aus der Magnetosphäre beleuchtet. Die Kollisionen dieser Partikel mit der Atmosphäre erzeugen eine Reihe von Farben, darunter Grün durch Sauerstoff und Rot und Blau durch Stickstoff. Das Nichtbeobachten des Blaus ist laut Gasque ein Beweis dafür, dass sich die grünen Spitzen des Lattenzauns von klassischen Polarlichtern unterscheiden.

Eine alternative Erklärung für den Lattenzaun könnten in der Erdatmosphäre eingebettete elektrische Felder sein, die parallel zum Magnetfeld des Planeten verlaufen, sagt Gasque. Diese Felder könnten lokale Elektronen anregen, um Sauerstoff zu leuchtendem Grün anzuregen und Stickstoff dazu zu bringen, etwas Rot, aber kein Blau abzugeben. Gasque und Kollegen führten ein Computermodell der Erdatmosphäre mit Elektronen durch, die durch elektrische Felder angeregt wurden. Das Team verglich das in ihrer simulierten Atmosphäre erzeugte Licht mit dem Licht eines Lattenzauns, das im April 2018 vom TREx-Spektrographen am Lucky Lake beobachtet wurde.

Das Modell reproduzierte tatsächlich das Verhältnis von rotem zu grünem Licht, das im realen Lattenzaun zu sehen war, ohne einen Hauch von Blau – was die Idee bestärkt, dass atmosphärische elektrische Felder den Lattenzaun konstruieren könnten, berichteten die Forscher am 16. November in Geophysical Research Letters und unter das AGU-Treffen. Aber Wissenschaftler müssen bestätigen, dass solche elektrischen Felder tatsächlich in den Höhen existieren, in denen Lattenzäune erscheinen.

„Der Plan besteht nun darin, zu versuchen, eine Rakete durch eines dieser Bauwerke zu fliegen“, sagt Gallardo-Lacourt. Gasque und ihre Kollegen haben der NASA gerade eine solche Mission vorgeschlagen. Die Rakete würde nicht durch den Lattenzaun fliegen – was, wie bei STEVE, zu schwer vorherzusagen ist. Stattdessen würde es auf Phänomene mit ähnlicher Färbung abzielen, die weitaus häufiger vorkommen: verstärkte Polarlichter.

„Bei verstärkten Polarlichtern gibt es sozusagen diese scharfen, hellen Schichten innerhalb des Polarlichts“, sagt Gasque. Die Schärfe dieser Variationen des Polarlichts und ihr lattenzaunartiges Farbschema deuten darauf hin, dass sie möglicherweise auch durch elektrische Felder angetrieben werden. Wenn eine zukünftige Raketenmission elektrische Felder entdeckt, die durch verstärkte Polarlichter verlaufen, würde dies helfen zu bestätigen, dass ähnliche Felder den Lattenzaun bilden.

Die Geospace Dynamics Constellation-Mission der NASA wird außerdem bereits im Jahr 2027 eine Flotte von Raumfahrzeugen starten, um die Magnetosphäre und Ionosphäre der Erde zu untersuchen – was möglicherweise mehr Daten liefern könnte, die zur Erklärung von Aspekten von STEVE beitragen könnten, stellt Gallardo-Lacourt fest. In der Zwischenzeit werden STEVEs engagierte Paparazzi aus Bürgerwissenschaftlern weiterhin Fotos des Phänomens vom Boden aus machen.