Natural Wonders and How They Work

Some things in nature look so strange that they feel like magic, even when you know the science behind them. Green curtains of light ripple across Arctic skies. Waves glow bright blue on a dark beach. Smooth, saucer-shaped clouds hang perfectly still above a mountain. In one California desert, heavy stones slide across a dry lakebed and leave long tracks behind them.

Manche Dinge in der Natur sehen so seltsam aus, dass sie wie Zauberei wirken, selbst wenn man die Wissenschaft dahinter kennt. Grüne Lichtvorhänge wogen über den arktischen Himmel. Wellen leuchten an einem dunklen Strand hellblau. Glatte, untertassenförmige Wolken stehen völlig still über einem Berg. Und in einer Wüste in Kalifornien gleiten schwere Steine über einen ausgetrockneten Seeboden und hinterlassen lange Spuren.

None of this is a miracle. Every one of these events follows the same laws of physics, chemistry and biology as the rest of nature. Knowing how they work doesn't spoil them, though. For many people it makes them even more impressive. Here are some of the most spectacular natural phenomena on Earth and what causes them.

Nichts davon ist ein Wunder im eigentlichen Sinn. Jedes dieser Ereignisse folgt denselben Gesetzen der Physik, Chemie und Biologie wie der Rest der Natur. Zu wissen, wie sie funktionieren, nimmt ihnen trotzdem nichts von ihrem Reiz. Viele Menschen finden sie dadurch sogar noch beeindruckender. Hier sind einige der spektakulärsten Naturphänomene der Erde und ihre Ursachen.

The aurora borealis, or northern lights, is probably the most famous light show in nature. Waves of green, pink and violet light ripple across the night sky in a wide ring around the North Pole, over places like northern Norway, Iceland, Alaska and northern Canada. For centuries the lights have shaped local legends, and today thousands of tourists travel north every winter just to see them.

Die Aurora borealis, das Nordlicht, ist wohl die berühmteste Lichtshow der Natur. Grüne, rosa und violette Lichtwellen ziehen in einem breiten Ring rund um den Nordpol über den Nachthimmel, etwa über Nordnorwegen, Island, Alaska und Nordkanada. Seit Jahrhunderten prägen die Lichter örtliche Legenden, und heute reisen jeden Winter Tausende Touristen nur in den Norden, um sie zu sehen.

The aurora begins with the Sun, which constantly sends out a stream of charged particles called the solar wind. Earth's magnetic field steers some of these particles toward the polar regions. There they crash into gases high in the atmosphere, mostly 100 to 300 kilometers up, and make them give off light. Oxygen glows green or red, while nitrogen adds blue and purple. When the Sun is very active, the aurora spreads much farther from the poles: in May 2024, people saw it as far south as Italy and Texas. The Southern Hemisphere has its own version, the aurora australis, or southern lights.

Das Polarlicht beginnt bei der Sonne, die ständig einen Strom geladener Teilchen aussendet, den Sonnenwind. Das Magnetfeld der Erde lenkt einen Teil dieser Teilchen in die Polargebiete. Dort prallen sie hoch oben in der Atmosphäre, meist in 100 bis 300 Kilometern Höhe, auf Gase und bringen sie zum Leuchten. Sauerstoff leuchtet grün oder rot, Stickstoff steuert Blau und Violett bei. Ist die Sonne sehr aktiv, reicht das Polarlicht viel weiter von den Polen weg: Im Mai 2024 sah man es sogar in Italien und Texas. Die Südhalbkugel hat ihre eigene Version, die Aurora australis oder das Südlicht.

On some nights, the waves breaking on a beach glow an electric blue-green. Move your hand through the water and it leaves a trail of cold, ghostly light. This is bioluminescence, light made by living things. It is far more common than most people realize, but most of it happens where nobody sees it, in the darkness of the deep ocean.

In manchen Nächten leuchten die Wellen, die sich am Strand brechen, in einem elektrischen Blaugrün. Zieht man die Hand durchs Wasser, hinterlässt sie eine Spur aus kaltem, geisterhaftem Licht. Das ist Biolumineszenz, Licht, das von Lebewesen erzeugt wird. Sie ist weit verbreiteter, als die meisten Menschen ahnen, doch das meiste davon geschieht dort, wo niemand hinsieht: in der Dunkelheit der Tiefsee.

The glowing waves are usually caused by dinoflagellates, tiny single-celled plankton that flash blue when the water around them moves. The light comes from a chemical reaction: a molecule called luciferin reacts with oxygen, helped by an enzyme called luciferase. Jellyfish, squid and many deep-sea fish make light too, and so do fireflies on land. A 2017 study off the coast of California found that about three quarters of the animals living in the open ocean can glow. They use light to find food, attract mates and confuse predators. Mosquito Bay in Puerto Rico and Vaadhoo Island in the Maldives are famous for their glowing water.

Die leuchtenden Wellen stammen meist von Dinoflagellaten, winzigem einzelligem Plankton, das blau aufblitzt, wenn sich das Wasser um es herum bewegt. Das Licht entsteht durch eine chemische Reaktion: Ein Molekül namens Luciferin reagiert mit Sauerstoff, unterstützt von einem Enzym namens Luciferase. Quallen, Kalmare und viele Tiefseefische erzeugen ebenfalls Licht, an Land tun es die Glühwürmchen. Eine Studie vor der Küste Kaliforniens ergab 2017, dass etwa drei Viertel der Tiere im offenen Ozean leuchten können. Sie nutzen das Licht, um Nahrung zu finden, Partner anzulocken und Fressfeinde zu verwirren. Die Mosquito Bay in Puerto Rico und die Insel Vaadhoo auf den Malediven sind für ihr leuchtendes Wasser bekannt.

Ball lightning is the strangest and least understood event in our weather. For centuries, people have described glowing balls of light, anywhere from the size of a golf ball to the size of a beach ball, that appear during thunderstorms. They float through the air for a few seconds, sometimes drift into rooms or even pass through windows, and then either fade quietly or disappear with a loud bang.

Der Kugelblitz ist die seltsamste und am wenigsten verstandene Erscheinung unseres Wetters. Seit Jahrhunderten beschreiben Menschen leuchtende Lichtkugeln, mal so groß wie ein Golfball, mal so groß wie ein Wasserball, die bei Gewittern auftauchen. Sie schweben einige Sekunden durch die Luft, dringen manchmal in Räume ein oder gehen sogar durch Fensterscheiben und verlöschen dann entweder still oder verschwinden mit einem lauten Knall.

Because it is rare and lasts only seconds, ball lightning was very hard to study, and some scientists doubted that it existed at all. Then, in 2012, Chinese researchers who were studying ordinary lightning on the Tibetan Plateau happened to record a glowing ball with their cameras and instruments. It shone for about a second and a half, and its light showed silicon, iron and calcium, elements found in soil. This supports a popular theory: a lightning strike turns soil into hot vapor, and that cloud glows as it burns. Other theories involve plasma or microwaves, and scientists still don't agree on the cause.

Weil Kugelblitze selten sind und nur Sekunden dauern, waren sie sehr schwer zu erforschen, und manche Wissenschaftler bezweifelten, dass es sie überhaupt gibt. Dann, im Jahr 2012, zeichneten chinesische Forscher, die auf dem Hochland von Tibet gewöhnliche Blitze untersuchten, zufällig eine leuchtende Kugel mit ihren Kameras und Messgeräten auf. Sie leuchtete etwa anderthalb Sekunden, und ihr Licht enthielt Silizium, Eisen und Kalzium, also Elemente aus dem Erdboden. Das stützt eine verbreitete Theorie: Ein Blitzeinschlag verwandelt Erde in heißen Dampf, und diese Wolke leuchtet, während sie verbrennt. Andere Theorien setzen auf Plasma oder Mikrowellen, und die Wissenschaft ist sich über die Ursache noch immer nicht einig.

During some volcanic eruptions, lightning flashes through the huge cloud of ash rising from the volcano. Scientists sometimes call this a “dirty thunderstorm.” It is one of the most frightening sights in nature, and one of the oldest on record: the Roman writer Pliny the Younger described flashes like lightning in the dark cloud over Mount Vesuvius in AD 79.

Bei manchen Vulkanausbrüchen zucken Blitze durch die riesige Aschewolke, die aus dem Vulkan aufsteigt. Fachleute sprechen manchmal von einem „schmutzigen Gewitter“. Es ist einer der beängstigendsten Anblicke der Natur und einer der am längsten überlieferten: Der römische Schriftsteller Plinius der Jüngere beschrieb im Jahr 79 n. Chr. blitzähnliche Feuerstreifen in der dunklen Wolke über dem Vesuv.

The lightning comes from electric charge. Inside the ash cloud, bits of rock and ash rub and crash into each other, and if the cloud rises high enough, ice forms in it too. These collisions build up positive and negative charges in different parts of the cloud, much as in an ordinary thunderstorm, until the charge is released as lightning. Volcanic lightning has been seen over Eyjafjallajökull in Iceland in 2010, over Mount Etna in Sicily and over Sakurajima in Japan. The 2022 eruption of Hunga Tonga in the Pacific produced the most intense lightning ever recorded, with hundreds of thousands of flashes in less than a day.

Die Blitze entstehen durch elektrische Ladung. In der Aschewolke reiben und stoßen Gesteins- und Aschestücke aneinander, und steigt die Wolke hoch genug, bildet sich darin auch Eis. Diese Zusammenstöße bauen in verschiedenen Teilen der Wolke positive und negative Ladungen auf, ganz ähnlich wie in einem normalen Gewitter, bis sich die Ladung als Blitz entlädt. Vulkanblitze wurden 2010 über dem Eyjafjallajökull in Island beobachtet, außerdem über dem Ätna auf Sizilien und über dem Sakurajima in Japan. Der Ausbruch des Hunga Tonga im Pazifik im Jahr 2022 erzeugte die heftigsten Blitze, die je gemessen wurden: Hunderttausende Entladungen in weniger als einem Tag.

On Racetrack Playa, a dry lakebed in a remote corner of Death Valley in California, rocks sit at the ends of long tracks in the cracked mud. Some of the tracks are straight, others curve or zigzag, and some of the rocks weigh more than 300 kilograms. The tracks clearly showed that the stones moved, but for decades nobody had ever seen one move.

Auf der Racetrack Playa, einem ausgetrockneten Seeboden in einem abgelegenen Winkel des Death Valley in Kalifornien, liegen Felsbrocken am Ende langer Spuren im rissigen Schlamm. Manche Spuren verlaufen gerade, andere in Kurven oder im Zickzack, und einige der Steine wiegen über 300 Kilogramm. Die Spuren bewiesen eindeutig, dass sich die Steine bewegt hatten, doch jahrzehntelang hatte niemand je gesehen, wie sich einer bewegt.

Geologists puzzled over the stones for more than 60 years. The answer finally came in December 2013, when a team using GPS trackers and time-lapse cameras caught the rocks in motion. In winter, rain and melting snow sometimes form a shallow pond on the playa. On cold nights its surface freezes into a sheet of ice only a few millimeters thick. On a sunny day the ice breaks into large floating panels, and a light wind pushes them across the water. The panels push the rocks ahead of them, a few meters per minute, and the stones leave tracks in the soft mud underneath. So the stones don't move by themselves, and they don't float: thin, almost invisible ice pushes them.

Mehr als 60 Jahre lang zerbrachen sich Geologen den Kopf über die Steine. Die Lösung kam schließlich im Dezember 2013, als ein Team mit GPS-Sendern und Zeitrafferkameras die Felsen in Bewegung erwischte. Im Winter bilden Regen und Schmelzwasser manchmal einen flachen Teich auf der Ebene. In kalten Nächten friert seine Oberfläche zu einer Eisschicht, die nur wenige Millimeter dick ist. An einem sonnigen Tag zerbricht das Eis in große schwimmende Platten, die ein leichter Wind über das Wasser treibt. Die Platten schieben die Steine einige Meter pro Minute vor sich her, und die Steine ziehen Spuren in den weichen Schlamm darunter. Die Steine bewegen sich also weder von selbst, noch schwimmen sie: Dünnes, fast unsichtbares Eis schiebt sie an.

Lenticular clouds, known to scientists as altocumulus lenticularis, look like something from another world. They are smooth, lens-shaped discs that hang over or just behind mountain peaks, sometimes stacked like a pile of plates. Strong winds blow all around them, yet they stay in the same place for a long time. Not surprisingly, people often report them as UFOs.

Linsenwolken, in der Fachsprache Altocumulus lenticularis, sehen aus, als kämen sie aus einer anderen Welt. Es sind glatte, linsenförmige Scheiben, die über oder knapp hinter Berggipfeln hängen, manchmal übereinandergestapelt wie ein Tellerstapel. Ringsum wehen starke Winde, und doch bleiben sie lange an derselben Stelle. Kein Wunder, dass Menschen sie oft als UFOs melden.

They form when a steady, moist wind blows over a mountain. The mountain pushes the air up and sets off a series of waves in the air behind it, a bit like the ripples in a stream behind a rock. Where the air rises to the top of a wave, it cools and its moisture turns into cloud. Where it sinks again, it warms up and the cloud disappears. Air keeps flowing through the cloud, but because the cloud keeps forming on one side and disappearing on the other, it seems to stand still. Lenticular clouds are often seen over lone mountains such as Mount Fuji in Japan, Mount Rainier in the United States and the Matterhorn in the Alps.

Sie entstehen, wenn ein gleichmäßiger, feuchter Wind über einen Berg weht. Der Berg drückt die Luft nach oben und löst hinter sich eine Reihe von Wellen in der Luft aus, ähnlich wie die Wellen in einem Bach hinter einem Stein. Wo die Luft auf den Kamm einer Welle steigt, kühlt sie ab, und ihre Feuchtigkeit wird zu Wolke. Wo sie wieder absinkt, erwärmt sie sich, und die Wolke löst sich auf. Die Luft strömt ständig durch die Wolke hindurch, doch weil sich die Wolke auf der einen Seite immer neu bildet und auf der anderen auflöst, scheint sie stillzustehen. Linsenwolken sieht man oft über einzeln stehenden Bergen wie dem Fuji in Japan, dem Mount Rainier in den USA und dem Matterhorn in den Alpen.

Every fall, hundreds of millions of monarch butterflies fly south from Canada and the northern United States. Some travel more than 4,000 kilometers to reach the fir forests in the mountains of central Mexico. There they spend the winter packed together on the trees in such huge numbers that their weight can bend the branches.

Jeden Herbst fliegen Hunderte Millionen Monarchfalter von Kanada und dem Norden der USA nach Süden. Manche legen mehr als 4.000 Kilometer zurück, um die Tannenwälder in den Bergen Zentralmexikos zu erreichen. Dort überwintern sie dicht gedrängt auf den Bäumen, in so riesiger Zahl, dass ihr Gewicht die Äste biegen kann.

The strangest part is that no single butterfly makes the whole round trip. The monarchs that leave Mexico in spring lay eggs in the southern United States and die. Their young continue north, and only after three or four generations does a new generation fly all the way back. So the butterflies that arrive in Mexico each fall have never been there before: they are usually the great-great-grandchildren of the ones that left. Scientists believe they find their way with a sun compass, corrected for the time of day by a clock in their antennae, and they may also sense Earth's magnetic field. How an insect with such a tiny brain finds a small patch of forest it has never seen is still not fully understood.

Das Erstaunlichste daran ist, dass kein einzelner Falter die ganze Hin- und Rückreise schafft. Die Monarchfalter, die Mexiko im Frühjahr verlassen, legen im Süden der USA ihre Eier und sterben. Ihre Nachkommen ziehen weiter nach Norden, und erst nach drei oder vier Generationen fliegt eine neue Generation den ganzen Weg zurück. Die Falter, die jeden Herbst in Mexiko ankommen, waren also noch nie dort: Meist sind sie die Ururenkel derer, die fortgeflogen sind. Forscher gehen davon aus, dass sie sich mit einem Sonnenkompass orientieren, den eine innere Uhr in ihren Fühlern an die Tageszeit anpasst, und dass sie womöglich auch das Magnetfeld der Erde wahrnehmen. Wie ein Insekt mit einem so winzigen Gehirn ein kleines Waldstück findet, das es nie gesehen hat, ist noch immer nicht ganz geklärt.

Long before science could explain them, natural phenomena found their way into stories and beliefs. In Finnish folklore, the northern lights were sparks thrown into the sky by the tail of a fox running across the snow, and the Finnish word for them, revontulet, means “fox fires.” The Sami people of northern Scandinavia treated the lights with respect and told children not to wave or whistle at them. In Mexico, the monarchs arrive around the Day of the Dead in early November, and many people believe they carry the souls of the dead.

Lange bevor die Wissenschaft sie erklären konnte, fanden Naturphänomene ihren Weg in Geschichten und Glaubensvorstellungen. Im finnischen Volksglauben waren die Nordlichter Funken, die ein Fuchs mit seinem Schwanz in den Himmel schleuderte, während er über den Schnee lief, und das finnische Wort dafür, revontulet, bedeutet „Fuchsfeuer“. Die Samen im Norden Skandinaviens begegneten den Lichtern mit Respekt und sagten Kindern, sie sollten ihnen weder zuwinken noch zupfeifen. In Mexiko kommen die Monarchfalter um den Tag der Toten Anfang November an, und viele Menschen glauben, dass sie die Seelen der Verstorbenen tragen.

These events still affect us today. Psychologists who study awe, the feeling we get in front of something so vast that we can't fully take it in, have linked it to lower stress, a stronger sense of connection to other people and more generous behavior. Standing under the aurora or on a beach full of glowing waves, many people say they feel small, but in a good way.

Auch heute berühren uns diese Ereignisse noch. Psychologen, die Ehrfurcht erforschen, also das Gefühl angesichts von etwas so Gewaltigem, dass wir es nicht ganz erfassen können, bringen sie mit weniger Stress, einem stärkeren Gefühl der Verbundenheit mit anderen Menschen und großzügigerem Verhalten in Verbindung. Wer unter dem Polarlicht oder an einem Strand voller leuchtender Wellen steht, fühlt sich oft klein, aber auf eine gute Art, wie viele sagen.

Auroras, glowing seas, sailing stones and migrating butterflies all have scientific explanations, or at least good working theories. Some, like ball lightning, still keep part of their secret, and discoveries keep coming: the sailing stones were caught moving for the first time only in 2013.

Polarlichter, leuchtende Meere, wandernde Steine und ziehende Schmetterlinge haben alle eine wissenschaftliche Erklärung oder zumindest gute Arbeitstheorien. Einige, wie der Kugelblitz, bewahren noch einen Teil ihres Geheimnisses, und es kommen immer neue Entdeckungen hinzu: Die wandernden Steine wurden erst 2013 zum ersten Mal in Bewegung beobachtet.

Science has not taken the wonder out of these events. Knowing that a butterfly steers by the Sun with the help of a clock in its antennae, or that a wave glows because of billions of tiny plankton, only makes them more interesting. Many of these sights are also easy to reach. A winter trip to the far north or a dark beach on a warm night may be enough to see one for yourself.

Die Wissenschaft hat diesen Ereignissen das Staunen nicht genommen. Zu wissen, dass ein Schmetterling mithilfe einer Uhr in seinen Fühlern nach der Sonne steuert oder dass eine Welle dank Milliarden winziger Planktonorganismen leuchtet, macht sie nur noch interessanter. Viele dieser Schauspiele sind zudem leicht zu erreichen. Eine Winterreise in den hohen Norden oder ein dunkler Strand in einer warmen Nacht kann schon genügen, um eines davon selbst zu erleben.