Nordlysvarsling i klasserommet

De aller fleste har hørt om nordlys. Veldig mange har hørt om solflekker. Og det er slett ikke helt få som har hørt at antallet av disse solflekkene varierer i tid. Og selv om vi tror at sammenhengen ikke er helt klar for folk flest, så er uttrykket solaktivitet nevnt i media med jevne mellomrom. I sammenheng med dette er det ofte også snakk om solstormer som har potensiale til å ødelegge satellitter eller å føre til strømbrudd her på jorda. Astronauter og kosmonauter må i hvert fall passe seg for effektene av den såkalte solvinden, som man kaller elektronene og ionene sola slenger ut i verdensrommet.

Men hva er dette? Hva er solaktivitet og solstormer? Hva er solvinden? Og hvor kommer nordlys inn i bildet?

Solas magnetfelt

Solaktivitet er knyttet til solas magnetfelt. Den oppfører seg nokså forskjellig fra jordas magnetfelt. Mens jordas magnetfelt varierer meget langsomt med tiden, er solas magnetfelt under konstant forandring. Dette skyldes i all hovedsak at sola er formet av ionisert gass.

Dette fører til at sola bruker 25 dager på å rotere en gang rundt sin egen akse ved ekvator, mens den bruker opptil 35 dager på en rotasjon ved polene. Denne forskjellen i rotasjonshastighet gjenspeiler seg i magnetfeltet som vikler seg inn i seg selv etter hvert. Det oppstår sløyfer av solmateriale som følger med magnetfeltlinjene utover fotosfæren. Det er forholdvis enkelt å se stedene dette skjer. Disse stedene kalles for solflekker. En animasjon av det hele kan dere se her: spark.ucar.edu/magnetic-field-lines-tangle-sun-rotates.

Solflekker og solsyklus

Solflekker er mørke regioner i solas fotosfære som ofte har større diameter enn jorda. Flekkene ser mørke ut fordi de stråler ut mindre energi enn resten av fotosfæren. En stor solflekk kan ha en temperatur på rundt 4000^oC. Dette er omtrent 2000^oC lavere enn resten av fotosfæren har. Bildet under viser hvordan solflekkantallet har endret seg per år. Svingningene gjengir solens aktivitetssyklus eller solsyklus. Vi ser her at solsyklusen ikke er helt regelmessig, og at det er endring fra gang til gang i intensiteten av et solmaksimum. I tillegg kan det ta 10-13 år for solflekkantallet å svinge fram og tilbake.

Veldig ofte er det ikke solflekkantallet som undersøkes. Fokus ligger heller på hvor mange prosent av den observerbare soldisken er dekket av solflekker. Figuren viser tydelig hvordan intensiteten for hver solmaksimum varierer. Kilde: NASA.

Solvind

Hvis innviklingen i magnetfeltet ved solflekkene blir for stor, så blir sløyfen brutt og partikler (elektroner og ioner) kastes ut i verdensrommet. Når dette skjer, får vi en solstorm.

Det er ikke bare ved en solstorm at sola kaster ut materiale. Solvinden er alltid til stede og den frakter også på materialer fra sola. Vi deler solvinden inn i to kategorier, den trege og den hurtige solvinden. Her har den «trege» solvinden en hastighet på rundt 400 km/s (en hastighet som kunne latt deg reise fra London til New York i løpet av bare noen få sekunder!) Den trege solvinden har lik temperatur og sammensetning som den ytterste delen av solas atmosfære (den solare koronaen). Den hurtige solvinden derimot har lik sammensetning som fotosfæren og kan nå en hastighet på opp til 750 km/s. Det er usikkerhet knyttet til opphavet av solvindene, så det foregår derfor fortsatt mye forskning på dette området. I tillegg til treg og hurtig solvind kommer solstormene og det som heter Coronal Mass Ejection. Disse er store, meget korte, utbrudd av ionisert gass fra koronaen.

Og så kan det bli nordlys ut av det

Og så, hvis partiklene fra sola treffer jordas magnetfelt kan nordlys oppstå. Men for at dét skal inntreffe, må noen forutsetninger være tilstede. Jorda er beskyttet gjennom magnetfeltet og partiklene vil normalt sett bli ført rundt jorda slik at vi ikke legger merke til dem. Men av og til så finner partiklene veien inn jordas atmosfære (lenger ned i teksten står det litt mer om akkurat hvordan og når dette skjer). Når partiklene først er kommet seg inn i atmosfæren, blir de ført langs magnetfeltet til de polare områdene og ned mot bakken. Jo lengre ned de kommer, jo tettere blir atmosfæren, og solvindpartiklene bremser opp fordi de støter sammen med atmosfærens partikler. Vi sier at solvindpartiklene mister sin kinetiske energi. Hvor går så denne energien hen, for den kan jo ikke bare forsvinne? Atomet i luften, for eksempel et oksygenatom, blir eksitert. Dette betyr at atomet tar opp energien fra solpartikkelen, men atomet klarer ikke holde på energien og gir energien fra seg igjen gjennom et lite lyskvant. Hvis antallet av kollisjoner mellom partiklene blir høyt nok, og det skjer på samme sted og til samme tid i atmosfæren, kan det hende at lyset blir sterkt nok for at vi kan se det. Og da kaller vi det for nordlys.

Bak nordlysvarsel – Advanced Composition Explorer

I dag finnes det en hel rekke nordlysvarslingstjenester på nett. Disse fungerer meget godt. Hovedverktøyet til disse tjenestene er ACE-satellitten (Advanced Composition Explorer). ACE-satellitten er en amerikansk satellitt som har som hovedformål å måle solvinden. Den er plassert i bane rundt det såkalte L1-punktet (Lagrangepunkt) mellom jorda og sola. Her måler den diverse parametere i solvinden. L1 ligger ca. 240 jordradier eller 1.5 mill. km fra jorda og er en av 5 punkter hvor tyngdekreftene fra jorda og sola og sentrifugalkraften (som kommer fra solas rotasjon) oppveier hverandre, slik at et romfartøy kan holde seg her med minimal bruk av drivstoff.

Parameterne i solvinden som brukes for å lage et nordlysvarsel er:

• magnetfeltet
• partikkeltettheten
• partikkelhastigheten
• temperaturen

Hva måler ACE-satellitten?

ACE måler magnetfeltet i tre forskjellige retninger og oppgir målingene i et koordinatsystem som heter GSM (Geocentric Solar Magnetospheric). Dette koordinatsystemet har nullpunktet i midten av jorda, x-aksen peker rett mot sola, z-aksen peker nordover og ligger langs den magnetiske aksen til jorda, mens y-aksen peker til siden for jorda slik at det er 90° mellom alle aksene.

Bildet under viser jorda og sola med GSM-koordinatsystemet tegnet inn i rødt. X-aksen peker mot sola, og z-aksen peker nordover. De svarte linjene representerer et tverrsnittsbilde av jordas magnetfelt og magnetfeltet i solvinden. Vi ser at jordas magnetfelt er sammentrykt av solvinden på dagsiden (den siden som vender mot sola), mens det er strukket ut på nattsiden. Magnetfeltet i solvinden er her rettet sørover. Vi sier at B_z er negativ. Blir det nordlys?

Oppstilling av solvindens og jordens magnetfelt. Kilde: www.sarepta.org.

Her finnes det ferske målinger fra ACE: http://www.swpc.noaa.gov/products/ace-real-time-solar-wind. Når vi velger "MAG SWEPAM" i kolonnen "SOLAR WIND: Mag field & Plasma", kommer vi fram til det nåtidsoppdaterte plottet. Bildet under viser et eksempel på et slik plot. Den hvite linjen i første graf viser det totale solvindmagnetfeltet. Graf nummer to viser vinkelen phi. Dette er vinkelen mellom x-aksen og komponenten av solvindmagnetfeltet i i x-y-planet. De tre siste grafene viser tetthet, fart og temperatur. Alle disse påvirker hvor mye energi som finnes i solvinden.

Et typisk plot fra Advanced Composition Explorer. Kilde: NASA.

Dataanalyse gjort enkelt

Det viser seg at for å få flest mulige partikler overført fra solvinden til jordas atmosfære er det viktig at solvindens magnetfelt peker mest mulig i negativ z-retning eller sørover (som vist på bildet). Vi sier da at B_z (z-komponenten av solvindmagnetfeltet) er negativ. Når B_z er positiv, merker vi ikke så mye til solvinden her på jorda (selv om vi kan fortsatt måle forstyrrelsen i magnetfeltet), men når den er negativ kommer det en mengde ladde partikler fra solvinden inn i jordas magnetfelt.

Både høy tetthet, høy temperatur og høy hastighet er bra for å få mye nordlys, men det kan skje ting selv om ikke alle parameterne er veldig høye. Bråe forandringer kan bety at noe er i ferd med å skje. Av og til kan det også komme nordlys uten at det er noen store endringer i solvinden.

Nordlysvarsling i klasserommet

Deler av de data som er beskrevet ovenfor benyttes av profesjonelle nordlysvarseltjenester. Men det kan også lett settes opp en klasseromsøvelse for å illustrere både solaktivitet og prosessen bak hvordan nordlys oppstår.

Gå f.eks. inn på denne websiden: sdo.gsfc.nasa.gov. Dette er websiden til Solar Dynamic Observatory (SDO) som er en satellitt som observerer sola. Websiden tilbyr data både i bilde- og videoform under «Data» i toppmenyen, slik at den egner seg ypperlig til å lære om solstråling, solas oppbygging og ikke minst dens magnetfelt og solaktivitet. Her kan dere prøve å finne fram en dato der solflekker er synlige i fotosfæren og sammenligne data fra SDO og ACE. Er det sammenheng mellom solflekkene og solvindstyrken som ACE måler? Hvis dere da lar elevene følge med på om det var nordlys, f.eks. gjennom å se på data her: flux.phys.uit.no/Last24, får de fort en forståelse for betingelsene som trengs for at nordlys skal oppstå.

Nå skal dere kunne lage deres eget nordlysvarsel gjennom å se direkte på satellittdata. Siden mange elever tror at dataplotter og fysikken bak er så vanskelig, kan nok den siste øvelsen over være fin. Nordlyset kan i denne sammenhengen være et tema som motiverer elevene nok til å komme seg over terskelen. Erfaringen fra vår undervisning ved det Nasjonale senteret for romrelatert opplæring viser at f.eks. ACE-plottene er noe alle kan skjønne og bruke, uten å være redd for å begi seg ut på komplisert og uforståelig satellittdata. Konklusjonen blir at satellittdata hverken trenger å være komplisert eller uforståelig.

Og så må vi heller ikke glemme: Noen av de profesjonelle nordlysvarseltjenestene velger kun å se på energien som sitter i solvinden når de skal forutsi et nordlysutbrudd, og retningen til solvindens magnetfelt blir like ofte ignorert som den er tatt med i det utarbeidede varselet. Men det er enkelt å ta med retningen til solvinden i et varsel: B_z < 0 betyr at muligheten for nordlys er prinsipielt tilstede, B_z > 0 betyr det motsatte. Derfor går det an å si at et nordlysvarsel vi kan utvikle i eget klasserom kan bli bedre og mer korrekt enn enkelte av de varslene som blir gitt via profesjonelle tjenester.

Med takk til:

Hege-Merethe Strømdal, José Miguel González-Pérez og Christoffer Stausland