Leuchtende Nachtwolken - NLC - Mesosphäre - Noctilucent Clouds - Entstehung - Farbe - Vorkommen - Meteorstaub - Häufigkeit

Leuchtende Nachtwolken

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Leuchtende Nachtwolken - eine kurze Einführung

Die Eruption des Krakatau am 27.08.1883 zählt zu den gewaltigsten Vulkanausbrüchen der letzten 1000 Jahren. Binnen kurzer Zeit wurden etwa 18 Kubikkilometer Asche ausgeworfen. Die Eruptionssäule erreichte eine Höhe von 80 km, wodurch es zu einem massiven Aerosoleintrag in die Hochatmosphäre der Erde kam. Die weltweit sichtbare Folge waren außergewöhnlich farbenprächtige Dämmerungserscheinungen ("Volcanic Sunsets"), die über mehrere Jahre anhielten. Im Sommern 1885 wurden in Europa zudem seltsame weißblau bis silbern schimmernde Wolken beobachtet, welche erst lange nach Sonnenuntergang am dunkel werdenden Himmel auftauchten. Derartige Erscheinungen waren bislang niemandem aufgefallen, weshalb zunächst kaum Zweifel an einem Zusammenhang mit dem Krakatau-Ausbruch bestanden. Doch überraschenderweise kehrte das inzwischen 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 vage Hinweise auf Leuchtende Nachtwolken enthalten. Vielleicht war es einfach nur die erhöhte Aufmerksamkeit für Dämmerungsphänomene in der Zeit nach dem Krakatau-Ausbruch, welche zu ihrer Entdeckung führten. Wie dem auch sei, durch Triangulation fand man bald heraus, dass diese Wolken sich etwa 82 km über dem Erdboden befinden müssen, also etwa 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 später Satelliten eingesetzt wurden. Es stellte sich heraus, dass die Leuchtenden Nachtwolken sich in einer als Mesopause bezeichneten Übergangsregion von der Mesosphäre zur Thermospäre 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. Die ebenfalls dort anzutreffenden Metallatomschichten sind das Produkt verglühter Meteoroide.

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 haben die Dokumentation 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 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 Methan durch Sauerstoff zu Wasser oxidiert wird, könnte die Luftfeuchtigkeit im Bereich der Mesopause zugenommen haben, was wiederum die NLC-Bildung begünstigen würde. Dass NLCs überhaupt erst seit dem Ende des 19. Jh. beobachtet werden, deutet ebenfalls auf einen Zusammenhang mit industriellen Entwicklung hin.
Recht gut belegt ist eine negative Korrelation zwischen der Sonnenaktivität und der Häufigkeit von NLC. Besonders zahlreich sind sie nach dem Minimum des 11jährigen Sonnenfleckenzyklus, eher selten treten sie nach dem Maximum auf. Dementsprechend wurden im Sommer 2002 NLC nur vereinzelt beobachtet, während sie in der Saison 2009 in über 30 Nächten nachgewiesen werden konnten. Welcher kausale Zusammenhang dieser Korrelation zu Grunde liegt, ist unklar. Eine Theorie besagt, dass bei geringer Sonnenaktivität mehr interstellare Korpuskularstrahlung auf die Erdatmosphäre trifft, welche Kondensationskeime für die Eiskristalle der NLC hervorbringen kann.

Seit Beginn der 90er-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.

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 bürgerlichen 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 Geld 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 (um 40nm) 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, d.h. gegen Ende der nautischen Dämmerung.

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 aktiven 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. Von dieser "Polkappe" können sich Teile ablösen und nach Süden wandern, wo sie als NLC sichtbar werden. Die meisten der bei uns beobachteten Leuchtenden Nachtwolken dürften sich allerdings unabhängig davon bilden, in aller Regel nördlich des 50. Breitengrades. Eine Leuchtende Nachtwolke, welche über dem 50. Breitengrad im Zenit steht, befindet sich auf dem 40. Breitengrad gerade am Horizont. Tatsächlich erfolgen NLC-Sichtungen südlich des 45. Breitengrades sehr selten.

NASA-ScienceCast vom 02.08.2012 zum aktuellen Forschungsstand