Oppdag og forutsi nordlyset!

Nordlyset er, etter min mening, det aller vakreste nattehimmelen har å by på om vinteren. I århundrer, sikkert i årtusener, har menneskene som bor i nordområdene sett opp på flammende nattehimler og undret seg. Forståelsen av hva nordlyset er og hvordan det blir til, har først kommet de siste hundre årene. Særlig i tiden etter at de første satellittene ble skutt opp på 1960-tallet, har kunnskapen om nordlyset og vårt nære verdensrom utviklet seg meget raskt.

For å forstå hvordan nordlyset dannes skal vi foreta en reise mellom sola og jorden. Nordlyset har sin opprinnelse på sola, det er et slags ”fingeravtrykk” for samspillet mellom solas og jordens atmosfære. Bindeleddet mellom de to er solvinden. Solvinden oppstår på grunn av den enorme trykkforskjellen mellom sola, en varm og tett klump med gass, og den kalde, tynne hydrogengassen som solsystemet vårt er omgitt av. Solvinden er altså ikke noe annet enn solens atmosfære, som blir sugd utover i solsystemet.

En reise fra sola til jorden

Vi starter reisen nesten helt nede ved soloverflaten, hvor temperaturen ligger på mellom 6 000 og 10 000 grader celcius. Det nederste laget av solatmosfæren, kromosfæren, består av nøytral (altså ikke elektrisk ladet) hydrogengass som siger sakte utover, vekk fra sola. Etter hvert øker både hastigheten og temperaturen. Når temperaturen når en viss grense, greier ikke hydrogenkjernene lenger å holde på sine elektroner; hydrogengassen blir ionisert og vi får et plasma. Når vi kommer opp i det øverste laget av solatmosfæren, koronaen, har temperaturen på gassen økt til noen millioner grader celcius, og her slutter temperaturen å stige. Nå må alle hydrogenkjernene fly solo, selv om elektronene stadig svirrer om ørene på dem. Vi beveger oss nå sammen med solvinden, vekk fra sola, med en hastighet på et par hundre kilometer i sekundet, og farten bare øker.

På vei utover i solsystemet tar solvinden med seg solas magnetfelt. Vi kan se for oss ioner og elektroner som perler på en snor, der snoren er solas magnetfelt. Når solvinden blåser av gårde, slepes magnetfeltet med. Dette er et litt pussig plasmafysisk fenomen, og det skjer fordi solvinden har veldig god elektrisk ledeevne (veldig mange frie elektroner, og veldig få kollisjoner). Etter noen dager begynner vi å nærme oss jorden.

Fig 1. Magnetisk spleising. Magnetfeltlinjene blir trykket sammen (1), "klippes av" og spleises sammen igjen (2), og magnetfeltets geometri er dermed endret. De to resulterende magnetfeltlinjene (3) beveger seg vekk fra hverandre i stor fart. Figur: Hanne Sigrun Byhring

For å forstå det som skjer når elektroner og ioner nærmer seg jorden, må vi vite litt om jordens magnetfelt. Det likner mye på det magnetfeltet som en stavmagnet har. Vi kaller det et dipolfelt. Jordens magnetfelt har retning fra den geografiske sørpolen mot den geografiske nordpolen. Når solas magnetfelt, det som har blitt med solvinden utover, har retning sørover peker det altså i motsatt retning av jordens eget magnetfelt. Da forekommer et fenomen som kalles magnetisk spleising, se figur 1. Vi tenker oss at to magnetfeltlinjer som er motsatt rettet, en fra sola og en fra jorden, blir klemt mot hverandre og kommer veldig nær hverandre. Hvis vi nå ser for oss at vi klipper over begge magnetfeltlinjene og spleiser dem sammen igjen, slik at jordens og solens magnetfelt henger sammen, så har vi magnetisk spleising. Magnetisk spleising kan bare skje med magnetfelt som er motsatt rettet.

De elektronene og ionene som sitter midt i smørøyet, akkurat der den magnetiske spleisingen skjer, vil bli akselerert langs de ”nye” magnetfeltlinjene i begge retninger. En del av dem vil dermed komme fykende ned i jordens atmosfære. Her vil de kollidere med atomer og ioner og danne dagnordlyset, som vi kan se om formiddagen over Svalbard i mørketiden.

Hva skjer så videre med den magnetfeltlinjen som nå forbinder sola og jorden? Vel, den ene enden av den sitter jo fremdeles fast i solvinden (husk hva vi sa tidligere om perler og snorer!). Og solvinden den vil blåse videre, om vi klipper og limer aldri så mye i magnetfeltlinjene. Solvinden drar altså denne magnetfeltlinjen bakover, over polen, og strekker den ut på nattsiden av jorden. Denne prosessen fører til at jordens dipolfelt blir deformert, og ender opp med å se omtrent slik ut som på figur 2. Alt dette skjer i et område ganske langt ute i rommet. Hvis vi zoomer inn på jorden og ser på magnetfeltet i nærheten av jordoverflaten, er det fortsatt nesten identisk med et dipolfelt, og påvirkes ikke av solvinden og den magnetiske spleisingen.

Fig 2. Forenklet skisse av magnetfeltet i solvinden (blått) og magnetosfæren. Magnetisk spleising foregår både på dagsiden og på nattsiden (grå områder). Figur: Hanne Sigrun Byhring

Som vi kan se av figur 2 vil det også på nattsiden av jorden, midt inne i det vi kaller for ”magnetohalen”, finnes magnetfeltlinjer som er motsatt rettet. Derfor vil det foregå magnetisk spleising her også. Og akkurat som på dagsiden vil deler av de elektronene og ionene som befinner seg i området der spleisingen skjer, bli akselerert inn mot jorden langs magnetfeltlinjene. (Resten av dem går motsatt vei, vekk fra jorden, og forsvinner ut i solvinden). Slik dannes nattnordlyset, som det er mulig å se i hele Norge, når det er mørkt og stjerneklart.

Den første som forstod at nordlyset dannes på grunn av ”elektronstråling” fra sola (det vi kaller solvind) var Kristian Birkeland, mannen på 200-kronerseddelen. Det var imidlertid ikke så mange som trodde på ham, og solvinden ble ikke påvist ved observasjoner før man kunne skyte opp satellitter på 1960-tallet, over 60 år etter at Birkeland hadde lansert sin teori om hvordan nordlyset ble til.

Jakten på nordlyset

Dersom du har lyst til å se nordlyset, hjelper det å vite når det har noen hensikt å gå ut og titte. For det første bør man huske at sannsynligheten for å se nordlys i Norge er størst mellom kl 21:00 og 01:00. Det er altså ikke nødvendig å miste all nattesøvnen for å få sett det. Det finnes også en del hjelpemidler på nett som det går an å bruke. Nordlysvarselet til det geofysiske institutt ved Universitetet i Alaska er veldig bra. For en enkel ”værmelding” for nordlyset har også TV2 og Storm Weather Center en nettside som det går an å bruke, men det er selvfølgelig mye morsommere å være sin egen ”værmelder”!

Som vi har forklart i forrige kapittel, må solvindmagnetfeltet (på engelsk: Interplanetary Magnetic Field, IMF) peke sørover for at det skal bli magnetisk spleising. Det vil riktignok aldri peke rett sørover, men jo mer sørover jo bedre. Høy solvindhastighet gir også økt magnetisk spleising, fordi magnetfeltene til jorda og sola presses kraftigere sammen når farten til solvinden er høy.

Når det er mye magnetisk spleising på dagsiden, vil magnetohalen vokse seg stor og tykk, og da kan vi oppleve at det plutselig smeller til bak i der, med masse magnetisk spleising og dermed kraftig (natt)nordlys med mye bevegelse. Dette kalles for en magnetisk substorm, og kan være ganske imponerende.

Vi melder romværet

Hvis vi vil gjette på når en slik substorm skal komme, kan vi bruke data fra en satellitt som heter Advanced Composition Explorer (ACE). Den befinner seg ute i solvinden, litt nærmere sola enn det vi er, og måler blant annet solvindhastigheten og solvindmagnetfeltet. Data fra denne satellitten kan vi finne på siden www.spaceweather.com, der det også er mye annen interessant informasjon om hva som skjer i rommet. Oppe til venstre på denne nettsiden står det ”Solar Wind”, og hvis vi trykker på ”more data”, får vi noen figurer som viser hva ACE måler i solvinden akkurat nå, se figur 3. Den øverste figuren viser den totale magnetfeltstyrken (hvit strek) og nord-sør komponenten (rød strek). Når nord-sør-komponenten (altså den røde streken) er negativ, tilsvarer det et søroverrettet solvindmagnetfelt (IMF). Da er det håp! Den nest nederste figuren viser solvindhastigheten. Gjennomsnittsfarten til solvinden er på omtrent 400 km/s, og alt over det er ganske bra. Husk at det tar en stund før det du ser i ACE-dataene får blåst seg bort til jorden, det tar gjerne mellom en halv time og en time. Derfor er det ikke noen vits i å løpe ut med en gang du ser at IMF detter under null og hastigheten gjør et byks, med mindre du har veldig lang vei til et mørkt sted. Når du har foretatt en liten ”værmelding” og kanskje funnet ut at sjansene for kvelden er gode, finnes det enda en liten lureløsning for dem som lett blir frosne på tærne.

Nordlyset opptrer vanligvis som buer over himmelen, og inni nordlysbuene oppstår det alltid sterke strømmer. Nordlyset dannes i den øvre delen av jordens atmosfære (ionosfæren), som er delvis ionisert. Det betyr at det er mange frie elektroner der, og da skal det ikke så mye til før det begynner å gå strømmer her. Strømmene som oppstår inne i nordlyset er igjen opphav til magnetfelter, og disse magnetfeltene kan vi observere som forstyrrelser i jordens dipolfelt. Vi kan måle dem ved hjelp av magnetometere.

Vi sjekker magnetometere

Slike magnetometere finnes i hele Norge, fra Ny Ålesund på Svalbard i nord til Karmøy i sør. Det er Tromsø Geofysiske Observatorium som har ansvar for dem, og de har gjort alle dataene tilgjengelige på nett. Du finner dem på http://flux.phys.uit.no/stackplot (se figur 4). Du kan sjekke nordlyset ved å velge H-komponenten (den horisontale komponenten, den blir mest påvirket av en strøm rett over hodet ditt) og et magnetometer (eller fler) nær deg. Trykker du på ”Custom”, har du nordlysets puls under fingeren! Dersom det plutselig begynner å gå en strøm inne i en nordlysbue over hodet ditt, vil H-komponenten til magnetfeltet synke svært raskt. Dette er et typisk tegn på at det er en substorm på gang, og nå er tiden er inne for å løpe ut og observere!

Figur 4. Magnetometerdata fra Tromsø fra den 28./29. juni i år. Vi ser at det var nordlysaktivitet fra kl 20:30 til midnatt (UTC) den 28 juni, og fra kl 02:00 til 04:00 (UTC) den 29. juni. Den aktiviteten vi ser starte kl 20:30 UTC den 28. juni, stemmer spesielt bra med at vi ser sterkt søroverrettet IMF mellom kl 17 og 20 UTC (se figur 3, husk at vi må anta at det tar mellom ½ til 1 time fra solvinden treffer ACE til den når jorden). Uheldigvis (?) var det midnattssol i Tromsø, så nordlyset kunne ikke observeres! Men det var der.…

Kampanje

Observasjon av nordlyset krever naturligvis en del tålmodighet, særlig dersom du bor sør i landet. Selv om substormer forekommer ofte, skal det mye til at de blir kraftige nok til at de kan observeres i Sør-Norge, og selv når det er kraftig utslag på magnetometeret, er det ofte at dårlig vær ødelegger muligheten for en flott opplevelse. Derfor er det kanskje lurt at du setter av en ganske lang periode, f. eks en måned, hvor man stadig forsøker å få gjort observasjoner.

Elevene kan få beskjed om å kikke på ACE-dataene en gang om dagen for å danne seg et bilde av endringer i solvindenog følge litt med på magnetometeret dersom det er klarvær på jorden og storm i kastene ute hos ACE. For å dokumentere det de ser, kan de f.eks printe ut dataene, eller ta et skjermbilde. En gang i uka kan klassen diskutere hva de har observert av romvær og om de kunne se noen forstyrrelser i magnetometerdataene som kanskje var forårsaket av noe i solvinden. De kan også diskutere om nordlysvarselet til TV2 var bra eller dårlig! De ivrigste kan kanskje klare å ta et bilde av nordlyset?

Hvis du holder til langt sør, kan du også følge litt med på hva som skjer i magnetometerdataene fra Tromsø og Svalbard. Det morsomme med denne typen oppgave er at det nesten er umulig å finne fasiten, selv for fagfolk og forskere. Det er derfor masse rom for diskusjon og mer eller mindre velfunderte meninger. Dersom det er vanskelig å observere nordlys der du bor, kan du følge med på webkameraer utenfor Longyearbyen på Kjell Henriksen Observatoriet (http://kho.unis.no/, (Trykk på ”Data” i venstre marg). Her kan du observere både nattnordlys og dagnordlys. En vellykket observasjon med tilhørende data er vist i figur 5.

Figur 5. Eksempel på vellykket observasjon av nordlyset, med tilhørende data. Første panel: Solvinddata fra 2 nyttårsdag 2009, Nord-sør komponenten til IMF (UT = UTC). Andre panel: Solvinddata fra 2 nyttårsdag 2009, solvindhastigheten.

Figur 5, tredje panel: Magnetometerdata fra Andenes, 2 nyttårsdag 2009. Nordlyset fotografert 2 nyttårsdag 2009, kl 22:35 norsk tid (dvs. kl 21:35 UTC), i Sør-Troms av Magnar G. Johnsen.