Leuchtende Nachtwolken

Leuchtende Nachtwolken - eine kurze Einführung

Die Eruption des Krakatau am 27.08.1883 zählt zu den größten Vulkanausbrüchen der letzten Jahrhunderte. Binnen kurzer Zeit wurden etwa 18 Kubikkilometer Asche ausgeworfen. Die Eruptionssäule erreichte eine Höhe von 40 - 50 km, wodurch es zu einem massiven Aerosoleintrag in die höheren Atmosphärenschichten der Erde kam. Die weltweit sichtbare Folge waren außergewöhnlich farbenprächtige Dämmerungserscheinungen ("Volcanic Sunsets"), die über mehrere Jahre anhielten. Im Sommer 1885 wurden an mehreren Orten in Europa zudem seltsame weiß-blau bis silbern schimmernde Wolken beobachtet, welche erst längere Zeit nach Sonnenuntergang am dunkel werdenden Himmel auftauchten. Derartige Erscheinungen waren zuvor niemals gesehen worden, weshalb zunächst kaum Zweifel an einem Zusammenhang mit dem Krakatau-Ausbruch bestanden. Doch überraschenderweise kehrte das bald als "Leuchtende Nachtwolken" (abgekürzt NLC, vom engl. Noctilucent Clouds) bezeichnete Phänomen nun Sommer für Sommer wieder, wenn auch nicht immer mit gleicher Häufigkeit. Bis heute wird diskutiert, ob einige vor 1885 erschienene Arbeiten bereits vage Hinweise auf Leuchtende Nachtwolken enthalten. Wie dem auch sei, durch Triangulation fand man bald heraus, dass diese Wolken sich etwa 82 km über dem Erdboden befinden müssen, also rund 8mal so hoch wie normale troposphärische Wolken.

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts gewann man mehr und mehr Erkenntnisse über den Aufbau der mittleren und hohen Erdatmosphäre, wobei zunächst Ballone, seit den 1950er-Jahren Höhenforschungsraketen und seit den 1970ern Satelliten eingesetzt wurden. Es stellte sich heraus, dass die Leuchtenden Nachtwolken sich in einer als Mesopause bezeichneten Übergangsregion von der Mesosphäre zur Thermosphäre bilden und im Wesentlichen aus Wassereiskristallen bestehen. Nun ist der Wassergehalt der Luft dort oben außerordentlich gering. Damit Wolken überhaupt auskondensieren können, bedarf es extrem niedriger Temperaturen. Tatsächlich werden in der Mesopause mit -130˚C und darunter die niedrigsten Werte im gesamten Höhenprofil der Erdatmosphäre gemessen, allerdings nur im Sommer und nur in hohen geografischen Breiten. Damit hatte man eine Erklärung für das saisonale Auftreten der Leuchtenden Nachtwolken gefunden. Doch zu deren Bildung bedarf es nicht nur ausreichend niedriger Temperaturen, sondern auch des Vorhandenseins von Kondensationskeimen in ausreichender Menge. Vulkanasche käme dafür in Frage und es ist nicht auszuschließen, dass sie nach dem Krakatau-Ausbruch zeitweilig zur Entstehung Leuchtender Nachtwolken mit beigetragen hat. Doch offensichtlich muss es eine weitere und permanent vorhandene Quelle für Kondensationskeime geben. Heute gilt es als gesichert, dass es sich dabei um Material handelt, dass beim Verglühen vom Meteoren freigesetzt wird. Tatsächlich leuchten Sternschnuppen typischerweise genau in der Höhenlage auf, in der sich die Leuchtenden Nachtwolken aufhalten.

Erst ab Mitte/Ende der 50er-Jahre des 20. Jahrhunderts wurden Leuchtende Nachtwolken systematisch beobachtet, seit Anfang der 1990er-Jahre ist das internationale Beobachternetz zunehmend dichter geworden. Das Internet hat den Informationsaustausch wesentlich vereinfacht; digitale Kameras und hoch auflösende automatische Webcams haben die Dokumentation nach der Jahrtausendwende revolutioniert. Wie bei anderen atmosphärischen Erscheinungen, z.B. Tornados oder Polarlichtern, haben diese Entwicklungen zu einer sprunghaften Zunahme der Beobachtungsmeldungen geführt. Auswertungen von Satellitendaten deuten allerdings darauf hin, dass Leuchtende Nachtwolken seit 1980 tatsächlich häufiger und heller geworden sind. Ob dabei ein Zusammenhang mit der globalen Erwärmung besteht, lässt sich nicht zweifelsfrei belegen. Durch industrielle und landwirtschaftliche Aktivitäten ist seit dem 19. Jh. der Methangehalt in der Mesosphäre deutlich angestiegen. Da Methanmoleküle in den hohen Atmosphärenschichten durch die UV-Strahlung der Sonne aufgespalten und mit Sauerstoff zu Wasser oxidiert werden, hat die Luftfeuchtigkeit im Bereich der Mesopause zugenommen, was wiederum die NLC-Bildung begünstigt. Dass NLCs überhaupt erst seit dem Ende des 19. Jh. beobachtet werden, deutet ebenfalls auf einen Zusammenhang mit der industriellen Entwicklung hin.

Schließlich ist zu berücksichtigen, dass über meridionale Höhenwinde eine interhemisphärische Koppelung zwischen Stratosphäre und Mesosphäre besteht (Grafik). Im Winterhalbjahr der jeweiligen Hemisphäre ist die Stratosphäre extrem kalt, sodass dort Wolken aus Salpetersäure, Schwefelsäure und Wassereis auskondensieren können. Diese Polaren Stratosphärischen Wolken (PSCs) treten in zwei Typen auf, wobei die bunt schillernden Perlmutterwolken (PSC Typ II) extrem auffällig sind. Dass Sie ebenfalls erst im Jahr 1874 erstmals beschrieben wurden, ist ein zusätzlicher Hinweis auf Veränderungen in den höheren Atmosphärenschichten seit dem 19. Jahrhundert.
Dagegen wird die sommerliche Stratosphäre durch Sonneneinstrahlung und den durch sie bewirkten Auf- und Abbau von Ozon aufgeheizt. Die erwärmte Luft steigt in die Mesosphäre auf und kühlt sich dabei durch Ausdehnung infolge sinkenden Luftdrucks ab. Hieraus resultieren die extrem niedrigen Temperaturen im Bereich der sommerlichen Mesopause. Dadurch dass am Winterpol zugleich kalte Luftmassen absinken, kommt die globale meridionale Höhenströmung in Gang.

Statistisch recht deutlich, aber bezüglich eines kausalen Zusammenhangs sehr umstritten, ist eine negative Korrelation zwischen der Sonnenaktivität und der Häufigkeit von NLCs. Besonders zahlreich scheinen sie nach dem Minimum des 11jährigen Sonnenfleckenzyklus zu sein, weniger häufig treten sie nach dem Maximum auf. Dementsprechend wurden im Sommer 2002 in Mitteleuropa NLC nur vereinzelt beobachtet, während sie in der Saison 2009 in über 30 Nächten nachgewiesen werden konnten. Eine Hypothese besagt, dass bei geringer Sonnenaktivität mehr interstellare Korpuskularstrahlung auf die Erdatmosphäre trifft, welche Kondensationskeime für die Eiskristalle der NLC hervorbringen kann. Alternativ wird diskutiert, ob durch verstärkte Sonnenaktivität die Mesopause-Region aufgeheizt wird und/oder Wasser verstärkt der Photolyse unterliegt oder dass sich atmosphärische Wellen, welche die Stärke der NLC-Felder modulieren, anders ausprägen.

Durch wissenschaftliche Studien recht gut belegt sind inzwischen Einflüsse solarer und lunarer Gezeiten, der Sonnenrotation (27 Tage), Solarer Protonen Events und atmosphärischer Wellen (Amplitude 2 bzw. 5 Tage) auf das NLC-Geschehen. Die dadurch bewirkten Aktivitätsschwankungen sind allerdings zu gering, um sich in den üblichen visuellen Beobachtungsreihen bemerkbar zu machen. Eine neuere Hypothese sieht einen Zusammenhang zwischen Raketenstarts und dem Auftreten heller NLCs.

Seit Beginn der 1990er-Jahre werden verstärkt Radar- und Lidarsysteme zur Erforschung der mittleren Atmosphäre und eben auch der Leuchtenden Nachtwolken eingesetzt. Mit VHF-Radar empfängt man während der Sommermonate Reflektionen aus dem Höhenbereich, in dem sich die NLC aufhalten. Diese Mesosphärischen Sommerechos (MSE) treten nur tagsüber auf, wenn die Sonne sich über dem Horizont befindet. Erzeugt werden die MSE an negativ geladenen Eisteilchen. Bei den negativen Ladungsträgern handelt es sich um freie Elektronen, welche durch Ionisierung von Atomen und Molekülen unter der Einwirkung kurzwelliger Sonnenstrahlung in der D-Schicht entstehen; die Mesosphäre liegt überwiegend (ab etwa 60 km Höhe) in der Ionosphäre. Sobald die Sonne untergeht, rekombinieren die Ionen zu neutralen Atomen bzw. Molekülen und die MSE verschwinden.

Von der MSE zu unterscheiden sind Mesosphärischen Winterechos (MWE). Diese Echos, zu denen es kein visuell wahrnehmbares Pendant gibt, treten entgegen ihrer Bezeichnung nicht nur im Winter, sondern in einem ausgedehnten Zeitraum von September bis Mai und gelegentlich sogar während der sommerlichen NLC-Saison auf. Ihren Schwerpunkt haben sie in Höhen um 70 km (Beispielplot), können aber in der gesamten Mesosphäre angetroffen werden. Als Ursache werden Turbulenzen an brechenden atmosphärischen Wellen diskutiert.
Vereinzelt oberhalb von 90 bis jenseits der 100 km auftauchende Echos werden durch ein ionosphärisches Phänomen bedingt, welches als Sporadic E bezeichnet wird.

Eigenschaften der NLCs

Leuchtende Nachtwolken sind extrem dünn, sodass sie das Sternenlicht kaum abschwächen können (Optische Dichte 1/100 bis 1/10000). Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass sie sich am Tag und auch noch in der frühen Dämmerung nicht vom Himmelshintergrund abheben. Erst wenn die Sonne etwa 6˚ unter dem Horizont steht, ist der Streulichtanteil in Bodennähe so stark reduziert, dass NLC sichtbar werden. Diese stehen in 82km Höhe dann noch in direktem Sonnenlicht, das durch die dünne Luft der mittleren Atmosphäre nur wenig gestreut wird. Allerdings wird der langwellige Anteil (vor allem Orange, in geringerem Maße Gelb und Rot) in der stratosphärischen Ozonschicht absorbiert. Aus diesem Grund erscheinen die Leuchtenden Nachtwolken nicht rein weiß, sondern besitzen einen bläulichen Farbstich. Zudem streuen die sehr kleinen (meist 10nm - 50nm, max. 100nm) Eiskristalle der NLCs blaues Licht stärker als rotes.
Sobald die Sonne etwa 16 Grad unter den Horizont gesunken ist, befindet sich der Höhenbereich um 82 km im gesamten Sichtbereich des Beobachters ebenfalls im Erdschatten. Folglich sind dann keine NLC mehr sichtbar. Die besten Sichtbedingungen herrschen etwa in der Mitte des Beobachtungsfensters, wenn die Sonne 10 - 12 Grad unter dem Horizont steht.

Aus dem vorherigen Abschnitt ergibt sich, dass Leuchtende Nachtwolken sehr weit im Norden, etwa ab dem 70. Breitengrad überhaupt nicht visuell beobachtet werden können, weil es dort während der gesamten NLC-Saison von Mitte Mai bis Mitte August nicht dunkel genug wird. Lidar-Messungen und vor allem Beobachtungen durch Satelliten wie dem zur Zeit inaktiven AIM belegen jedoch, dass sie auch dort vorhanden sind, und zwar als eine mehr oder weniger geschlossene Schicht, welche sich über die gesamte Polregion erstreckt. Dafür hat sich die Bezeichnungen Polare Mesosphäre Wolken eingebürgert oder kurz PMC, vom englischen Polar Mesospheric Clouds. Die Randbereiche dieser "Polkappe" können im nördlichen Mitteleuropa horizontnah als NLC sichtbar werden. Vielfach sorgen dann südwärts gerichtete Höhenwinde für eine Drift von NLC-Feldern in südlichere Breitengrade. Gelegentlich wird auch beobachtet, dass Leuchtende Nachtwolken - oft als isolierte Felder - direkt über Mitteleuropa auskondensieren.
Eine Leuchtende Nachtwolke, welche über dem 50. Breitengrad im Zenit steht, befindet sich auf dem 40. Breitengrad gerade am Horizont. In der Praxis haben NLC-Sichtungen deutlich südlich des 45. Breitengrades Seltenheitswert, obwohl es ganz vereinzelt bereits Nachweise bis in den Bereich des 35. Breitengrades gab.

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