Norrsken, vad är det?

Uppdaterad version 2021-11-29. Nu ska vi prata om norrsken, Aurora Borealis. Det finns även sydsken, Aurora Australis men det är på södra halvklotet. Båda går också under benämningen polarsken. När solen får ett utbrott och det är riktat mot jorden så kastas laddade partiklar ut. Detta kallas för solvind. När dessa partiklar når jorden så träffar de vår sköld, magnetosfären, vårt magnetfält där 98% av alla partiklar avleds och fortsätter ut i rymden medan de partiklar som återstår fångas in och styrs ner mot polerna. Klicka på bilderna för större upplösning.

DSC_1438w.jpg

Partiklarna skickas ut från solen med en hastighet av ca 300-500 km/s. När de träffar atomer och molekyler högt upp i vår atmosfär blir de exciterade. När partiklarna går tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd så avger de ljus i starka färger. Det är det ljuset som vi ser när norrsken dansar på himlen. Vår atmosfär består av huvudsakligen syre och kväve.

 

magnetosphere_w.jpg

Vi kanske ändå måste bli lite vetenskapliga innan vi går vidare. Här ser du en bild över jordens magnetfält och hur fantastiskt det magnetfältet skyddar oss. En magnetosfär är det område i rymden där en himlakropps magnetiska fält har avgörande inflytande på rörelsen hos laddade partiklar, rymdplasmat, och i vilket kroppens magnetfält stängs in av det omgivande rymdplasmat. Med magnetosfären menas oftast jordens magnetosfär, men även andra himlakroppar med magnetiskt fält har magnetosfärer som i sina huvuddrag liknar jordens: i vårt solsystem innebär detta framför allt gasjättarna Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus, men även Merkurius och Jupitermånen Ganymedes har magnetosfärer, om än betydligt mindre. Omagnetiserade planeter som Venus och Mars (som dock har svaga lokala magnetfält) har däremot ingen regelrätt magnetosfär. 

Jordens magnetosfär är på grund av sin närhet den mest utforskade magnetosfären. Denna artikel beskriver därför främst förhållanden i jordens magnetosfär, med diskussion om särskiljande drag hos andra magnetosfärer på slutet. Vore det inte för solvinden skulle jordens magnetfält vara mycket likt fältet från en magnetisk dipol, dvs se lika dan ut på båda sidor, men solvinden trycker ihop magnetfältet på dagsidan och drar ut det till en lång svans på nattsidan. Detta kan förstås som en magnetohydrodynamisk tryckbalans, där solvindens dynamiska tryck balanseras av det magnetiska trycket från jordens magnetfält. Eftersom solvinden ofta varierar mätbart i styrka kommer magnetosfärens storlek att ändras med solvindens variationer: starkare solvind ger mer hoptryckt magnetosfär.

Solvinden avlänkas alltså av jordens magnetfält runt magnetosfären, och tätheten är därför mindre i större delen av magnetosfären än den är ute i solvinden. Men helt tom är inte magnetosfären: dels läcker det in en del solvindsplasma, men framför allt fylls magnetosfären av plasmautflöden från jonosfären. Hur stor del av magnetosfärens plasmainnehåll som kommer från jonosfären (och därmed från atmosfären) och hur stor del som kommer från solvinden kan variera, men normalt är jonosfären den viktigaste källan. Plasma från jonosfären flödar uppåt längs magnetfältet och fyller hela svansen med väte- och syrejoner. Solvindsplasma kan läcka in i särskilt stora mängder vid tillfällen med magnetisk rekonnektion på magnetopausen.

Magnetosfärer är inte homogena. Lorentzkraften hindrar plasmats partiklar (joner och elektroner) att fritt röra sig vinkelrätt mot magnetfältets riktning, vilket gör att skarpa gränser kan upprätthållas mellan olika plasmaområden med sinsemellan mycket olika karakteristika. Magnetosfärerna själva är exempel på sådana områden, avgränsade mot solvinden av ett tunt gränsskikt, magnetopausen. Jordens magnetopaus ligger i riktning mot solen, oftast på ett avstånd av ungefär 10 jordradier från jorden.

Solvinden når inte ostörd fram till magnetopausen, men väl till bogchocken, som är en stående chockvåg som bildas framför magnetopausen. Vid denna chock saktas solvindsplasmat abrupt ned från supersonisk till subsonisk hastighet, vilket gör att temperatur och täthet därför är högre i området mellan bogchocken och magnetopausen, som kallas magnetoskiktet, än de är i solvinden. Magnetoskiktet omsluter magnetosfären som ett hölje på alla sidor.

Magnetosfären trycks alltså ihop på dagsidan, men dras på nattsidan ut till en magnetosvans, som kan sträcka sig hundratals jordradier bakåt från jorden. Större delen av svansens volym utgörs av norra och södra svansloberna. Det enda plasma som når hit kommer från jonosfären genom den svaga polarvinden, vilket gör att loberna är de bästa vakuum som står att finna i jordens omgivning: tätheten här är endast några få tiondels partiklar per milliliter, vilket betyder att man för att hitta en enda jon och en enda elektron behöver leta i flera milliliter. Plasmats temperatur i loberna är relativt låg, runt eller under 1 eV (ca 10 000 C) eller så. Plasmat koncentreras emellertid mot svansens centrala del, plasmaskiktet, och hettas där också upp till betydligt högre temperatur, ofta flera keV, ca 10 miljoner grader Celsius. Magnetfältet är här svagare, och i neutralskiktet går det genom noll och ändrar riktning. Neutralskiktet bär därför en elektrisk ström i riktning från morgonsidan mot kvällssidan.

Jordens översta atmosfärlager, jonosfären, utgör magnetosfärens nedre gräns. Ett område som kallas plasmasfären utgör jonosfärens förlängning ut i magnetosfären: plasmasfären är därför relativt kall (runt eller under 1 eV, det vill säga cirka 10 000 C) och tät (hundratals eller tusentals partiklar per milliliter). Plasmasfären sträcker sig ut i rymden över låga latituder, upp till kanske 40-50 grader nordlig och sydlig bredd (egentligen skall man här räkna latituden från magnetiska ekvatorn snarare än den geografiska, eftersom det är jordens magnetfältet som styr plasmats rörelse). På högre latituder kan inte magnetfältet hålla kvar plasmat: elektriska fält gör att de driver iväg ut i magnetosfären, och plasmasfären har därför en abrupt gräns, plasmapausen, mot yttre magnetosfären. Riktigt energirika partiklar kan dock genom effekter av magnetfältets inhomogenitet hållas bundna ut till längre avstånd, vilket är förklaringen till att det bildas strålningsbälten (även kallade van-Allen-bälten) runt jorden.

Polarkyftorna (den norra och den södra) är speciella genom att magnetfältet här når från jorden ända ut i solvinden. Det gör att solvindspartiklar här har lättare att tränga in i magnetosfären än på andra ställen. Polarklyftornas geometri gör dock att de fungerar som magnetiska speglar vilket gör att inflödet även här i realiteten är litet.

Magnetosfärer påverkas av variationer i solvinden och det interplanetära magnetfältet, både direkt och via interna processer. Om solvindens täthet och hastighet ökar så trycks magnetosfären ihop.[6] Solvinden styr därför direkt rymdvädret, och ett stort solutbrott kan orsaka starkt störda förhållanden i magnetosfären, en så kallad geomagnetisk storm. Det interplanetära magnetfältet påverkar hur energi från solvinden kan lagras i magnetosfären. Denna lagrade magnetiska energi kan så småningom frigöras i den interna process som kallas geomagnetisk substorm.

Magnetosfären är i sig alldeles osynlig: norrskenet är dess enda direkt synliga effekt, och utan annan kunskap räcker det inte långt för att man ska inse att det finns en magnetosfär. Redan innan de första satelliterna flög fanns förslag om att en magnetosfär kunde existera, men det var först med rymdålderns satelliter som man fick någon klar bild av dess struktur och ämnet rymdfysik föddes. Den första observationen av magnetopausen gjordes på magnetosfärens nattsida av den amerikanska satelliten Explorer 10 år 1961, medan Explorer 12 upptäckte att denna gränsyta ligger betydligt närmare jorden på dagsidan än på nattsidan. Dessutom är exempelvis den japanska GEOTAIL fortfarande aktiv efter mer än tio år i rymden, och NASAs ACE ger information om solvinden uppströms. De svenska magnetosfärsatelliterna Viking och Freja var i drift 1986-1987 respektive 1992-1995. Sverige bidrar också med mätinstrument för magnetosfärforskning från Institutet för rymdfysik på ESAs fyra Clustersatelliter runt jorden och NASAs rymdsond Cassini runt Saturnus. Info och bild kommer från Wikipedia.

 

DSC_1882psw.jpg

Den vanligaste färgen är grönt och den uppstår när solvinden träffar miljontals syreatomer samtidigt i jordens atmosfär på ca 100 -140 km höjd. Detta leder till att partiklarna exciterar syreatomerna under en kort tid och när syreatomerna sedan återgår till sitt ursprungstillstånd avger de den gröna nyans som vi kan se på himlen.

 

DSC_5653-1-2w.jpg

Syreatomer kan också ge ifrån sig ett rött sken men det sker på betydligt högre höjd, över 200 km. Den röda färgen finns oftast där men är svårare att se då våra ögon är 5 gånger känsligare för grönt ljus än för rött. Ju högre hastighet på solvinden desto mer ljus produceras av partiklarna. På grund av höjden det sker på och vår okänslighet för rött ljus, gör att det krävs en kraftfull solvind för att vi ska kunna se det röda skenet. Kameror har lättare att se det röda ljuset än våra ögon.

 

ns2016bbw.jpg

Det lila norrskenet uppstår genom kvävejonen N2+ på alla höjder över 85 km.

 

DSC_1455w.jpg

Den blå färgen i norrskenet alstras av kvävemolekylen N2 på cirka 110 km höjd. Detta är den enda bild jag tagit som kan ha blått i sig. Varför jag säger kan ha, är att det kan vara vitbalansen som luras lite, men här ser jag ändå klart grönt, lila och blått. De blåa ljuset i ett norrsken bildas på låg höjd så det kräver mycket energi för partiklarna att ta sig ner så lågt i atmosfären. Dessutom är det blå ljuset så svagt. Det är få som fått uppleva äkta blått ljus i norrskenet. Denna bild är ärlig. Jag har sett flera bilder som påstår sig vara blått sken i men typ 99% av dem är fusk i Photoshop.

 

DSCF3591-2psw.jpg

Jag och en vän åkte ut till en närbelägen sjö med förhoppning att få se norrsken. Detta trots att det var molnigt och att dimma skulle komma in. Väl på plats så såg vi ingenting, verkligen ingenting, då dimman omslutit oss. Vi gjorde upp en eld och grillade korv så länge. Norrskensappen glödde och alla siffror slog i taket. Någonstans däruppe dansade ett gigantiskt norrsken. Vi tyckte att det blivit ljusare så vi tog några bilder och upptäckte att det var norrskenet som lyste upp allting. Hela dimman var alldeles grön, kanske inte så konstigt då norrskenet var enda ljuskällan. Den här bilden tog jag här i Umeå. Helt galet när ett gigantiskt norrsken lyser upp en supertät dimma. Blir helt bisarrt... och coolt...

 

DSC_1734-1w.jpg

På Wikipedia kan vi läsa att polarsken klassas internationellt på följande sätt:

  • HA (Homogenous quiet arcs) Jämna, stabila och svagt lysande bågar från horisonten som sträcker sig upp till 8° – 10° höjd; kan finnas kvar oförändrat i flera timmar. Ofta uppträder små ljusknippen i bågen.
  • HB (Homogenous bands) Jämna band. De kan vara så smala som 100 m och ända upp till 1 000 km långa, ibland spiralformigt hoprullade.
  • PA (Pulsating arcs) Pulserande bågar, som kommer och går i korta intervall
  • PS (Pulsating surfaces) Större och mindre lysande fläckar, som dyker upp och försvinner än här och än där på himlen. Pågår bara en kort stund, 10 minuter eller mindre.
  • RA (Ray-structured arcs) Bågar med strålstruktur.
  • RB (Ray-structured bands) Band med strålstruktur.
  • C (Corona) Korona (krona) som uppträder som en rund fläck vid det magnetiska zenit dit strålarna inte når. Under korona uppträder strålar i kupolformade våningar.
  • D (Draperies) Draperier, som fladdrar liksom en ridå för vinden.
  • F (Flaming aurora) Flammande polarsken; kan likna skenet av en brand på avstånd.
  • G (Feeble glow) Svag diffus glimning.
  • R (Rays) Enstaka strålar eller strålgrupper, som kommer och går. Uppträder de ensamma, riktas de mot ett magnetiskt zenit som ligger något vid sidan av astronomiskt zenit d.v.s. vertikalt rakt upp från observatören.

 

DSC_1388-1w.jpg

Här ser du en klassisk corona. Detta är min favorit av alla varianter av norrsken.

 

DSC_1708-1_4kw.jpg

Vi tar och tittar på en till corona...

 

L1001101w.jpg

Här är en säregen corona, den ser ut som en solfjäder. Även om det inte är en klassisk corona så klassar jag den ändå under kategorin corona.

 

DSC00376-2-3w.jpg

Ett fint färgspektrum...

 

DSC_2050-1psw.jpg

Denna kväll var det inte så mycket norrsken och den lada jag tänkt som bakgrund blev väldigt tråkig ,så jag tog ficklampan och sprang i slalom fram till ladan och vips blev bilden lite rolig i alla fall.

 

DSC_2972w.jpg

Jag hade bilen på service och fick låna en Jeep Compass, precis när den nya modellen lanserats. Detta skulle kunnat bli en bra reklambild för modellen.

 

DSC_5191-1w.jpg

Ljusföroreningar är oftast ett bekymmer. Här lyser gatuljusen upp de låga molnen. Denna gång blev ljusföroreningen ett tillskott i stället för att var ett irritationsmoment.

 

DSC00735w.jpg

En vän och hans hund. Denna bild illustrerar verkligen vad norrskensfotografering handlar om. Att få uppleva otroligt vackra himlafenomen med trevliga vänner. 

 

DSC00789-2w.jpg

Ni som inte sett Star Wars kan scrolla till nästa bild. Med en gnutta fantasi så ser det inte ut som en Star Destroyer som kommer in från höger och dess kraftfält trycker undan norrskenet?

 

DSC00794w.jpg

Om jag skulle göra en film om utomjordingar som anfaller jorden så skulle det nog se ut så här. Helt bisarrt att se i verkligheten. Jag har aldrig sett norrsken med detta utseende tidigare.

 

DSC04083psw.jpg

Denna bild tog jag i november 2021 strax innan norrskenet sög upp och åt min Jeep.

 

DSC00783-2w.jpg

Här är något som inte är norrsken men nästan. Detta är Steve. Ja, fenomenet med vitt norrskensliknande ljus kallas verkligen för Steve. Bilden är tagen 29 september 2019 och det var första gången jag fick se Steve. STEVE srår för Strong Thermal Emission Velocity Enhancement. STEVE påminner lite om norrsken till utseende och uppförande men skiljer sig fysiskt från norrsken. Det är inte som norrsken som är laddade partiklar som interagerar med atmosfärens syre och kväve utan STEVE är när laddade partiklar hettas upp till ca 3000 C högt upp i atmosfären på extremt hög höjd och utanför norrskensområdet. Partiklarna håller en hastighet på 6 km per sekund vilket är 500 gånger snabbare än sin omgivning. Namnet STEVE kommer från filmen ”På andra sidan häcken” där djuren ger något okänt namnet Steve. Här tillsammans med både norrsken och ett stjärnfall.

 

DSC01880w.jpg

SAR (Stable Auroral Red). SAR-bågar syns normalt inte för blotta ögat utan det krävs oftast en kamera för att kunna se den. SAR ger en väldigt stabil båge och rör sig inte alls som ett norrsken. Den röda färgen beror på att det är syre, oxygen, som reagerar och ljuset är oftast på våglängden, 6300 Ångström. 1 Ångström = 0,1 nm (NanoMeter). En SAR-båge går från öster horisont till väster horisont. SAR är den optiska manifestationen av energiflödet från den inre magnetosfären till den subaurorala jonosfären. Denna interaktion involverar varken mycket energisk partikelutfällning eller penetration av elektriska fält vilket är de traditionella mekanismerna för magnetosfär-jonosfär-koppling som dominerar stormförhållanden från aurorala till ekvatoriala breddgrader. SAR-bågar inträffar under geomagnetiska stormar när ringströmmens inre kant samverkar med en sammandragen plasmasfär. En del av ringströmsenergin försvinner som värme vilken leds längs geomagnetiska fältlinjer in i jonosfärens ovansida. SAR har ofta ljusstyrkan kring 500 R (rayleighs) vilket är 10 gånger svagare en det svagaste norrsken som ett öga kan uppfatta. Här tillsammans med norrsken och Vintergatan. Brunnsjön 2020-10-23.

Jag har själv tagit alla bilder som visas i detta inlägg. Du får använda dem som skrivbordsbakgrund eller för annat eget bruk men du får inte sälja dem, tävla med dem eller hävda dig själv som fotograf.

Bild och text: © Thomas Lövgren

2021-11-29