Hyperspektralkamera löst das Rätsel der blauen Aurora

In den frühen Morgenstunden des 21. Oktober 2023 blickte ein Team japanischer Forschender gen Himmel über Kiruna in Nordschweden. Dort, wo sonst nur Sterne funkeln und Polarlichter tanzen, kam an diesem Morgen Hightech zum Einsatz: eine Hyperspektralkamera namens HySCAI – entwickelt, um das Leuchten der Aurora nicht nur zu sehen, sondern zu vermessen.

Die Forschenden des National Institute for Fusion Science wollten eine Frage beantworten, die so alt ist wie die Polarlichtforschung selbst: „In welcher Höhe entstehen die blauen Auroren – und was verraten sie über die Atmosphäre?“

Leuchtendes Rätsel am Himmel

Auroren entstehen, wenn geladene Teilchen aus dem All – meist Elektronen – auf Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle in der Erdatmosphäre treffen. Dabei geben die Moleküle Energie in Form von Licht ab. Grün, Rot und Violett kennt man – aber die blaue Aurora ist seltener und komplizierter zu erfassen.

„Die höhere Lage der blauen auroralen Resonanzstreuung ist bekannt, aber der Mechanismus, der sie verursacht, bleibt ungelöst“, schreiben die Autorinnen und Autoren der Studie. Der Grund: Das blaue Leuchten entsteht nicht nur durch Teilchenkollisionen, sondern auch durch das Streuen von Sonnenlicht an Ionen in großen Höhen. Besonders während der Dämmerung vermischen sich diese Effekte – für normale Kameras kaum zu trennen.

Eine Kamera, die mehr sieht als Farben

Hier kam die Hyperspektralkamera HySCAI ins Spiel – ein Gerät, das Licht in Hunderte feine Wellenlängen zerlegt. So können Forschende genau erkennen, welche Moleküle in welcher Höhe emittieren. Während herkömmliche Aurora-Kameras nur drei Farbkanäle erfassen, bietet HySCAI ein vollständiges Spektrum – und damit ein neues Werkzeug zur Himmelsdiagnostik.

„Die Hyperspektralkamera liefert ein zweidimensionales Aurora-Bild mit einem vollständigen Spektrum“, erklärt das Team um Katsumi Ida. Damit ließ sich die Höhe des blauen Lichts erstmals präzise bestimmen – mit nur einer Kamera.

Das Prinzip erinnert an eine Technik aus der Fusionsforschung: Dort misst man die Temperatur von Plasmen, indem man die Stelle bestimmt, an der ein Laserstrahl und der Blickwinkel einer Messung sich kreuzen. Für die Aurora adaptierten die Forschenden dieses Verfahren, wobei der Sonnenstrahl den Laser ersetzt.

Stickstoffionen in 200 km Höhe?

Wie kann das sein?

Eine Erklärung liefert die Ladungsaustauschreaktion: Dabei treffen Sauerstoffionen (O⁺) auf neutrale Stickstoffmoleküle (N₂) und erzeugen dabei N₂⁺-Ionen in großer Höhe. Alternativ könnten auch aufwärts strömende Ionen eine Rolle spielen, die aus tieferen Atmosphärenschichten aufsteigen. Beides deutet darauf hin, dass die obere Ionosphäre dynamischer ist, als viele Modelle bisher annahmen.

Das Forschungsteam hält beide Mechanismen für möglich: „Wir können weder aufwärts strömende N₂⁺-Ionen noch die Produktion durch Ladungsaustausch ausschließen.“ Entscheidend sei, dass die Hyperspektralkamera erstmals genaue Höhenprofile dieser Ionen liefern kann – ein Schritt, der künftige Modelle verbessern dürfte.

Die Dämmerung als Labor

Warum aber gerade in der Morgendämmerung?

Während dieser kurzen Phase trifft das Sonnenlicht schräg auf die Atmosphäre und „wandert“ langsam über verschiedene Höhen. So entsteht eine Art natürlicher Tomographie: Indem man misst, wann das Licht in einer bestimmten Schicht aufleuchtet, lässt sich deren Höhe ableiten.

„Ein einzelnes Beobachtungssystem kann die Höhe bestimmen, weil die Resonanzstreuung genau dort stattfindet, wo das Sonnenlicht auf die Ionen trifft“, erläutert das Team. So verwandelte sich der Himmel über Kiruna in ein Labor – mit der Sonne als Messstrahl und der Kamera als Sensor.

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