Leuchtende Nachtwolken

Wissenswertes

Gibt es Wolken, die leuchten? Eigentlich macht eine Wolke ja genau das Gegenteil. Sie erzeugt kein Licht, sondern schluckt es. In einer dunklen Nacht funkeln die Sterne am Firmament und nicht die Wolken. Eine Wolke reißt ein schwarzes Loch in den feinen Flor, den die Sterne bilden. Die Wolke selbst ist pechschwarz und vollkommen unsichtbar.

Unsere Lebensrealität sieht freilich etwas anders aus. Es gibt so viel künstliches Licht auf der Erde, dass die Wolken nachts von unten angestrahlt werden und dadurch grau statt schwarz erscheinen. In der Wüste wäre eine Wolke jedoch ein schwarzes Loch am Sternenhimmel.

Die bei uns übliche graue Wolke ist aber noch lange keine leuchtende Wolke. Leuchtende Wolken sind ein sehr spezielles Naturschauspiel, das von Juni bis September auftreten kann. Es handelt sich um Eiskristalle in sehr großer Höhe, die von der Sonne angestrahlt werden, während der Beobachter bereits im Schatten der Nacht liegt.

Das folgende in Deutschland aufgenommene Video zeigt eine Zeitrafferaufnahme einer solchen nachts leuchtenden Wolke. Die Aufnahme wurde gestartet, während die Wolke bereits leuchtete. Im Verlauf des Videos sieht man, wie der Himmel wieder zum Normalzustand zurückkehrt. Das Video macht klar, dass es sich um etwas anderes als eine alltägliche sonnenbeschienene Wolke in der Abenddämmerung handelt.

Was leuchtende von normalen Wolken unterscheidet

Normale Wolken schweben in einer Höhe von bis zu 13 Kilometern. Das ist die Höhe, in der Passagierflugzeuge unterwegs sind. Leuchtende Nachtwolken (NLC) hingegen bilden sich in einer Höhe von 80 bis 85 Kilometern! Die Sonne muss mindestens 6 Grad unterhalb des Horizonts stehen (sonst wäre es nicht dunkel), darf gleichzeitig aber auch nicht tiefer als 16 Grad unter dem Horizont stehen (sonst würde auch der Bereich in 80 Kilometern Höhe im Schatten liegen). Bei einer Sonnenhöhe von -6 bis -16 Grad sind leuchtende Nachtwolken möglich.

Wie bereits erwähnt, bilden sich diese Wolken im Sommer. Betrachten wir drei Gründe dafür.

① Im Sommer ist es kalt

Was wir bisher nicht erwähnt haben: Die leuchtenden Nachtwolken bilden sich vornehmlich über der Arktis, also der Nordpolarregion. Und in 80 Kilometern Höhe ist es über der Arktis im Sommer kälter als im Winter. Hä?! Im Sommer ist es kälter als im Winter? Das klingt zugegebenermaßen paradox.

Man könnte diesen Effekt den Spraydoseneffekt nennen. Was passiert, wenn man eine Spraydose in einem Rutsch entleert? Wenn man ohne Unterbrechung längere Zeit das Gas entweichen lässt, wird die Spraydose kalt. Warum? Das Gas befand sich komprimiert in der Dose. Jetzt darf es entweichen und sich ausdehnen. Wenn es aus seinem komprimierten Zustand befreit wird, bekommt es mehr Bewegungsfreiheit, die es auch nutzt.

In der Spraydose sind die Atome eng zusammengepfercht, aber sie sind trotzdem aktiv – sie hüpfen, tollen und wirbeln herum. Erinnern wir uns daran, was Wärme physikalisch gesehen ist: Wärme ist Bewegung von Atomen. Je wärmer, desto mehr Bewegung der Atome.

Beim Leeren der Spraydose bekommen die Atome plötzlich viel mehr Platz. Um sich auszudehnen – also sich zu verteilen dabei gegen dem Umgebungsdruck anzukämpfen – wenden sie Energie auf. Diese Energie steht ihnen nicht mehr fürs Hüpfen, Tollen und Wirbeln zur Verfügung.

Stellen wir uns vor, die Atome wären kleine Kinder. Morgens ist ihre Energie nicht zu bändigen. Wenn man sie allerdings auf eine stundenlange Wanderung mitschleppt, werden sie am Tagesende keine Energie mehr fürs Hüpfen, Tollen und Herumwirbeln haben. So kostet auch die Volumenausdehnung die Atome Kraft.

Behalten wir im Sinn, dass Wärme als „Bewegung von Atomen“ definiert werden kann. Die Atome bewegen sich weniger, was bedeutet, dass das Gas kälter wird. So wird die Spraydose heruntergekühlt, während wir sprühen. Die thermische Energie wird in Volumenausdehnung umgewandelt.

Das ist übrigens auch einer der Gründe, warum wir mit einem CO2-Feuerlöscher nicht auf Menschen zielen, sondern nur Brände an elektrischen Anlagen löschen. (Bei brennenden Personen verwendet man Schaumlöscher.) Ein CO2-Sprühstoß ist eiskalt und würde der angesprühten Person Erfrierungen zufügen. Doch eigentlich ist das ja komisch, denn der rote Feuerlöscher, der monatelang an der Wand hing, befand sich ja nicht in einem Gefrierschrank, sondern wurde bei ganz normaler Zimmertemperatur gelagert. Erst wenn wir das Gas (das CO2) stoßweise entweichen lassen, wird es wie von Zauberhand eiskalt. Es darf sich endlich ausdehnen, muss dabei aber gegen den äußeren Luftdruck arbeiten. Die dem Gas innewohnende Wärmeenergie wird in Volumenausdehnung umgewandelt und das Gas wird kalt. (Hier noch ein weiterer Grund, warum man mit einem CO2-Feuerlöscher keine Menschen löscht: Das CO2 verdrängt den Sauerstoff und erstickt die Person. Das hat aber keinen Bezug mehr zu unseren leuchtenden Wolken.)

Zurück zu der Frage, warum es in 80 Kilometern Höhe über der Arktis im Sommer kälter ist als im Winter. Im Sommer liegt die Arktis den ganzen Tag durchgängig im Sonnenlicht – die Sonne geht nie unter. Die Luft in Bodennähe erwärmt sich, dehnt sich dabei aus und steigt nach oben. Der Motor für dieses Transportband, das die Luft in höhere Atmosphärenschichten befördert, ist das Sonnenlicht. Der genaue Mechanismus ist komplex. Aber unterm Strich entstehen durch die von der Sonne eingebrachte Energie Aufwinde, die die Luft nach oben befördern. Im Sommer ist dieses Transportband aufgrund der stetigen Sonneneinstrahlung sehr aktiv, im Winter hingegen wesentlich träger.

Halten wir fest: Im Sommer wird über der Arktis ziemlich viel Luft ziemlich schnell nach oben transportiert. Die Luft gelangt also ziemlich schnell in große Höhen, wo ein niedrigerer Luftdruck herrscht. Das bedeutet, die Luft bekommt Platz, sich weiter auszudehnen. Und das bringt uns wieder zurück zu Spraydose und CO2-Feuerlöscher. Bei dieser schnellen Ausdehnung aufgrund des schnellen Aufsteigens wird Wärmeenergie in Volumenausdehnung umgewandelt und die Temperatur sinkt.

Das ist also der Punkt: Luft, die schnell in große Höhen befördert wird, dehnt sich schnell aus und „verbraucht“ dabei Wärmeenergie, wodurch die Luft kälter wird. Luft, die langsam nach oben steigt, dehnt sich langsam aus, verbraucht nicht so schnell die Wärmeenergie und wird nicht so kalt.

Jetzt ergibt es Sinn, dass die stetige Sonneneinstrahlung des arktischen Sommers kältere Temperaturen in der Mesosphäre (der Luftschicht in 50 bis 85 Kilometern Höhe) verursacht. Im Sommer kann die Luft dort bis zu -140 Grad Celsius kalt werden! Im Winter herrschen „milde“ -60 bis -80 Grad.

Moment mal! Für NLCs brauchen wir Eiskristalle in 80 Kilometern Höhe. Okay. Aber sollten nicht auch die Wintertemperaturen von -60 bis -80 Grad dafür reichen? Ab 0 Grad bilden sich doch bereits Eiskristalle.

Nun, der Gefrierpunkt hängt vom Luftdruck ab. Auf Meereshöhe ist 0 Grad der Gefrierpunkt von Wasser. In 80 Kilometern Höhe ist die Atmosphäre aber viel, viel dünner. Der Luftdruck ist eine Million Mal niedriger als auf Meereshöhe. Der Frostpunkt liegt bei -120 Grad Celsius. Deshalb bilden sich Eiskristalle in der Mesosphäre nur im arktischen Sommer.

② Im Sommer ist es feucht

Dieser Punkt ist dank unseres Vorwissens nun schnell abgehandelt. Die Mesosphäre ist im Sommer nicht nur kühler, sondern auch feuchter. Verantwortlich dafür ist wieder das im Sommer aktive Transportband Richtung Mesosphäre. Die Luft, die nach oben steigt, führt Feuchtigkeit mit nach oben. Im Winter ist die Mesosphäre ⁠ ⁠»⁠ ⁠staubtrocken⁠ ⁠«⁠ ⁠, weil ihr relativ wenig frischer Wasserdampf zugeführt wird. Doch erst der Wasserdampf in der Mesosphäre ermöglicht die Bildung von Eiskristallen.

③ Im Sommer steht die Sonne günstig

Bisher haben wir mehr oder weniger so getan, als würde man von Deutschland aus leuchtende Wolken über der Arktis beobachten. Dem ist jedoch in Wirklichkeit nicht so. Selbst Wolken in 80 Kilometern Höhe verschwinden irgendwann hinter der Erdkrümmung – also hinter dem Horizont. Sichtbare leuchtende Nachtwolken können rechnerisch maximal 1000 Kilometer von unserem Beobachtungsstandort entfernt sein. Praktisch gesehen wird man große NLC-Felder, die 500 Kilometer entfernt sind, noch ganz gut am Horizont erkennen können.

Von Frankfurt aus kann man am nördlichen Horizont also NLCs beobachten, die über Flensburg oder gar über Skandinavien schweben. Wie kommt die Wolke dorthin? Häufigste Ursache: Strömungen in der Mesosphäre treiben die eiskristallhaltige Luft vom Nordpol nach Süden. Seltener: Die meteorologischen Bedingungen sorgen dafür, dass sich direkt an Ort und Stelle eine Eiskristallwolke in der Mesosphäre bildet.

Der Zeitraum, in dem die Sonne 6 Grad unter dem Horizont steht, damit es in Frankfurt dunkel genug ist, um eine leuchtende Nachtwolke zu sehen, während die Sonne gleichzeitig nicht tiefer als 16 Grad unter dem Horizont steht, damit eine Eiskristallwolke in 80 Kilometer Höhe über Flensburg noch von der Sonne angestrahlt wird, beträgt Ende Juni ganze 6 Stunden!

Leuchtende Nachtwolken beobachten

Wo soll man denn nun hinschauen? Nach Norden. Dort werden die leuchtenden Nachtwolken in der Regel zu sehen sein. Je nach atmosphärischen Verhältnissen können sich aber auch über weiter südlich gelegenen Gebieten Nachtwolken bilden – über Skandinavien, der Nordsee, Mitteldeutschland oder sogar Bayern. Die enorme Höhe dieser Wolken hat den Vorteil, dass sie nicht so schnell hinter der Erdkrümmung (also dem Horizont) verschwinden.

Wo sollte man sich aufhalten? Im Norden. Beim Nordseeurlaub wird man diesem Phänomen eher begegnen als im Alpenurlaub.

Wann kann man NLCs erwarten? Im Juni und Juli. Das ist die Hauptsaison. In der zweiten Maihälfte und der ersten Augusthälfte ist jeweils Nebensaison. Die leuchtenden Nachtwolken sind dann in der Regel wesentlich filigraner und schwerer zu erkennen. Theoretisch sind leuchtende Nachtwolken bis in den September hinein möglich, jedoch wird ihr Auftreten immer unwahrscheinlicher und ihr Erscheinungsbild wesentlich unspektakulärer.

Was sieht man? Bläulich (⁠ ⁠»⁠ ⁠elektrisch⁠ ⁠«⁠ ⁠) leuchtende Wolken. Also hauchdünne, filigrane Schleier oder wellenartige Gewebe, die sich in einem elektrischen Blau-Weiß (manchmal auch mit einem leicht silbrigen oder goldenen Schimmer) hell vom dunklen Himmel abheben. Ihr Aussehen erinnert an feine Cirruswolken oder sanfte Meereswellen, die mitten in der Nacht von selbst leuchten.

Viel Spaß!