Carl Størmer: Der Mann, der das Nordlicht triangulierte

In den 1890er Jahren ging ein Student mit einer unter seinem Mantel verborgenen Kamera durch die Straßen von Kristiania und fotografierte Fremde, die keine Ahnung hatten, dass sie beobachtet wurden. Die Bilder existieren noch und sind verblüffend – sie gehören zu den ersten wirklich spontanen Bildern des urbanen Lebens, Gesichter, die ohne die gefasste Pose eines viktorianischen Porträtierten eingefangen wurden. Der Fotograf war Carl Størmer, und der Instinkt, den er hier zeigte, sollte seine Karriere bestimmen: Richte ein Instrument auf etwas, das nicht stillhält, und fange es trotzdem ein. Er sollte die nächsten fünfzig Jahre damit verbringen, dies mit dem Polarlicht zu tun.

Skien und ein Junge, der seine Meinung änderte

Størmer wurde 1874 in Skien in eine Apothekerfamilie geboren. 1886 zogen seine Eltern nach Kristiania – heute Oslo – speziell, um ihm eine bessere Bildung zu sichern, ein Ehrgeiz, der sich umfassend auszahlte. Seine frühen Leidenschaften waren Botanik und Astronomie. Mit etwa sechzehn Jahren verlagerte sich sein Interesse dauerhaft und fest auf die reine Mathematik, und er verließ sie nie mehr.

Er machte 1898 seinen Abschluss als Kandidat und ging dann nach Paris, wo er an der Sorbonne bei Henri Poincaré und Émile Picard studierte – eine Ausbildung im absoluten Zentrum der europäischen Mathematik, die für alles Folgende von enormer Bedeutung war. Poincarés Obsession war das Verhalten von Trajektorien in dynamischen Systemen, die nicht in geschlossener Form gelöst werden konnten. Størmers Lebenswerk sollte genau ein solches Problem sein.

Reine Zahlen

Sein erster Ruf war der eines Zahlentheoretikers, und er publizierte reichlich – über die Pellsche Gleichung und über schnell konvergierende Reihen für π vom Machin-Typ, jene Art von Identität, die es einem Computer ermöglicht, Ziffern effizient zu extrahieren, und die es in seiner Zeit einem geduldigen Menschen erlaubte, dasselbe von Hand zu tun. 1903, im Alter von neunundzwanzig Jahren, wurde er zum Professor für Reine Mathematik an der Universität von Kristiania ernannt. Er bekleidete den Lehrstuhl dreiundvierzig Jahre lang, bis 1946.

Birkelands Frage

Der Wendepunkt kam durch einen Kollegen. 1896 hatte der Physiker Kristian Birkeland Laborexperimente durchgeführt, bei denen er geladene Teilchen auf eine magnetisierte Kugel feuerte, was leuchtende Muster in der Nähe ihrer Pole erzeugte, die unverkennbar wie Miniatur-Polarlichter aussahen. Birkelands Hypothese – dass das Nordlicht durch geladene Teilchen aus dem Weltraum verursacht wird, die durch das Erdmagnetfeld in die Polarregionen gelenkt werden – war korrekt, umstritten und mathematisch jenseits seiner Möglichkeiten. Er bat Størmer um Hilfe.

Størmer schenkte ihm Jahrzehnte. Die Aufgabe bestand darin, die Trajektorie eines geladenen Teilchens zu berechnen, das sich durch das Feld eines magnetischen Dipols bewegt – ein Problem ohne allgemeine geschlossene Lösung, das mühsame schrittweise numerische Integration erforderte, von Hand ausgeführt, ein halbes Jahrhundert bevor es Maschinen dafür gab. Er veröffentlichte mindestens achtundvierzig Arbeiten darüber. Die Arbeit etablierte, welche Teilchen die Erde erreichen und wo, kartierte die verbotenen und erlaubten Regionen des Feldes und erzeugte den theoretischen Apparat, der später verwendet wurde, um den Zugang kosmischer Strahlung und die Strahlungsgürtel zu verstehen. Die gesamte Problemklasse trägt noch heute seinen Namen.

Das Nordlicht fotografieren

Die Theorie war die eine Hälfte. Ab 1909 begann Størmer systematisch, das Polarlicht zu fotografieren, und hier prallten sein jugendliches Hobby und seine professionelle Mathematik mit spektakulärer Wirkung aufeinander. „Was dabei herauskommen mag“, schrieb er, „wenn ein reiner Mathematiker zufällig ein enthusiastischer Amateurfotograf ist.“

Die existierenden Fotos des Nordlichts waren verschwommen und für Messungen unbrauchbar; die Belichtungszeiten waren zu lang für ein Phänomen, das sich bewegt. Størmer löste das optische Problem, indem er ein kleines, schnelles Objektiv einbaute, das aus einer Kinderfilmkamera des deutschen Herstellers Ernemann stammte. Die Verbesserung war entscheidend genug, dass schließlich etwa dreihundert nach seinem Entwurf gebaute Kameras an Forscher in aller Welt verteilt wurden.

Dann industrialisierte er die Beobachtung. Er baute Netzwerke von Stationen in ganz Norwegen auf, die mindestens fünf Kilometer voneinander entfernt und durch Telefon verbunden waren. Wenn ein Polarlicht erschien, wurden Beobachter an verschiedenen Stationen angewiesen, das gleiche Schauspiel im gleichen Moment zu fotografieren, wobei jedes Bild auch feste Hintergrundsterne einfing. Mit zwei Bildern desselben Objekts von einer bekannten Basislinie aus gegenüber einer bekannten Sternreferenz wird die Höhe des Nordlichts zu einem Problem der ebenen Trigonometrie – Parallaxe, der älteste Trick der Astronomie, erstmals mit Strenge auf etwas angewendet, das zuvor nur durch Vermutungen gemessen wurde.

Was die Kameras fanden

Die Antwort war, dass das Polarlicht weit höher ist, als die meisten Beobachter des neunzehnten Jahrhunderts angenommen hatten, und bemerkenswert beständig: seine untere Grenze liegt im Durchschnitt etwas über 100 Kilometer über der Oberfläche. Der volle Bereich reichte von etwa 71 Kilometern bis zu 1.000 Kilometern für sonnenbeschienene Polarlichter, hoch genug, um Sonnenlicht einzufangen, während der Boden darunter in Dunkelheit lag.

Diese Zahlen waren keine Kuriosität. Sie waren der empirische Test für Birkelands Theorie und Størmers eigene Trajektorienberechnungen, die das Phänomen auf eine spezifische Schicht der oberen Atmosphäre festlegten und jede physikalische Beschreibung davon einschränkten. Størmers Fotografien speisten einen Polarlichtatlas, der während des zweiten Internationalen Polarjahres 1932–33 an Mitarbeiter in Kanada, den Vereinigten Staaten, Großbritannien und den Niederlanden verteilt wurde. Er fotografierte weiter, bis er 1957 starb. Die meisten Bilder sind verloren; das Norwegische Museum für Wissenschaft und Technologie bewahrt mehrere hundert auf.

Warum Carl ein Genie genannt wird

Størmers Besonderheit ist, dass er in zwei Dingen gleichermaßen beeindruckend war, die bei ein und derselben Person fast nie zusammen vorkommen: manuelle Berechnung unlösbarer Dynamik und das Design eines funktionierenden Beobachtungssystems. Die Trajektorienberechnungen waren ein Akt reiner mathematischer Ausdauer – numerische Integration eines nichtlinearen Problems, manuell durchgeführt, aufrechterhalten über achtundvierzig Arbeiten und mehrere Jahrzehnte, bei einem Sorgfaltsniveau, bei dem ein einziger Rechenfehler alles nachfolgende entwertet. Das Polarlicht-Netzwerk war ein Akt der Ingenieurskunst und Organisation: ein aus einem Spielzeug geborgenes Objektiv, ein Telefonsystem, eine Basislinie und eine trigonometrische Identität, kombiniert zu einem Instrument, das den Himmel vermessen konnte. Die Ehrungen spiegelten dies wider – der Fridtjof-Nansen-Preis, die Wahl in die Royal Society, Ehrengrade von Oxford, Kopenhagen und der Sorbonne und die Präsidentschaft des Internationalen Mathematikerkongresses, als er 1936 in Oslo tagte.

Der Gegenfall verdient es, klar ausgesprochen zu werden. Die physikalische Einsicht war Birkelands, nicht Størmers; Birkeland stellte die Frage und lieferte die Theorie, und Størmer kam als der Mathematiker hinzu, der sie ausführen konnte. Størmer produzierte nie eine allgemeine analytische Lösung für das Dipol-Trajektorienproblem, weil es keine gibt – seine Ergebnisse sind numerisch und spezifisch. Seine Zahlentheorie ist eher respektabel als revolutionär. Und ein guter Teil der Polarlicht-Leistung ist Handwerk statt Intellekt: das richtige Objektiv wählen, die Stationen platzieren, die Beobachter schulen, die Telefonprotokolle in Ordnung halten, die Übung über Jahrzehnte norwegischer Winter wiederholen. Das ist Geduld und organisatorisches Geschick von außergewöhnlicher Ordnung, und es sollte als solches beschrieben werden, anstatt als Einsicht verkleidet zu werden. Was die beiden Hälften miteinander verbindet – und was wie Genialität aussieht – ist das Urteilsvermögen, zu sehen, dass ein Phänomen, das alle als Spektakel behandelten, tatsächlich ein messbares Objekt war, und genau zu wissen, welche Messung die Frage klären würde.

Vermächtnis

Størmer starb 1957, dem Jahr, in dem das Internationale Geophysikalische Jahr begann und das Jahr, in dem Sputnik startete – dem Moment, in dem die obere Atmosphäre, die er sein Leben lang vom Boden aus trianguliert hatte, zu einem Ort wurde, an den tatsächlich Instrumente geschickt werden konnten. Die im folgenden Jahr entdeckten Strahlungsgürtel waren genau mit den eingefangenen Teilchen bevölkert, die seine Gleichungen beschrieben. Die moderne Weltraumwetterphysik, die die geomagnetischen Stürme vorhersagt, die Satelliten und Stromnetze bedrohen, beruht auf der Trajektorientheorie, die er von Hand für einen Kollegen baute, der einen Mathematiker brauchte.