Nordlyset oppstår når elektroner fra utbrudd på sola strømmer gjennom jordas magnetfelt og kolliderer med partikler i atmosfæren. Det røde lyset øverst skyldes kollisjoner med oksygenatomer høyt oppe, mens det grønne, mer kortbølgede lyset lengre nede oppstår når elektronene har større fart, trenger dypere ned og kolliderer med større energi. (Foto: TheBrockenInaGlory, Wikimedia Commons, GNU Free Documentation License)
Nordlyset oppstår når elektroner fra utbrudd på sola strømmer gjennom jordas magnetfelt og kolliderer med partikler i atmosfæren. Det røde lyset øverst skyldes kollisjoner med oksygenatomer høyt oppe, mens det grønne, mer kortbølgede lyset lengre nede oppstår når elektronene har større fart, trenger dypere ned og kolliderer med større energi. (Foto: TheBrockenInaGlory, Wikimedia Commons, GNU Free Documentation License)

Kan se jordas magnetfelt i nordlyset

Å forstå hvordan jordas magnetfelt oppfører seg, er viktig for fysikere. Det er også viktig for vår sårbare teknologiske hverdag.

Publisert

Utbrudd på sola lager stormer av elektrisk solvind. De påvirker magnetfeltet og elektriske ladninger rundt jorda. Dermed kan de forstyrre for GPS, radiosamband og strømforsyning.

Franske og norske forskere utvikler nå et instrument som kan se magnetfeltet ved å gjøre målinger av nordlyset. Men hvorfor gå veien om nordlyset? Hvorfor ikke måle magnetfeltet direkte?

Måler bare på stedet

Å måle jordas magnetfelt er nemlig ganske enkelt. Du trenger et magnetometer. Det er en slags superversjon av et vanlig kompass. I de fleste smartmobiler finnes en billig versjon av et slikt magnetometer.

Men magnetometeret har en stor svakhet. Det kan bare måle magnetfeltet akkurat der det er. Hva om du vil måle magnetfeltet der solstormene påvirker det mest, oppover i de øvre luftlagene?

Da må du sende opp en rakett eller en satellitt med et magnetometer. Det er dyrt, og gir fortsatt bare en måling langs banen til raketten eller satellitten.

Eller – du kan bruke polarimeteret som den franske astronomen Jean Lilensten har utviklet.

Kollisjoner lager lysglimt

Historien om polarimeteret starter for femti år siden – på den andre siden av kloden. Den australske forskeren Robert Duncan rapporterte at den sørlige varianten av nordlyset – Aurora Australis – var polarisert.

Polarisert lys svinger i en bestemt retning. Her vises lys som er polarisert vannrett og loddrett, som et eksempel. Figuren er forenklet. Lys består egentlig av to typer svingninger, elektriske og magnetiske. Her er bare den elektriske delen vist. Den bestemmer retningen på polariseringen. (Foto: (Figur: P.wormer, Wikimedia Commons, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license, bearbeidet av forskning.no))
Polarisert lys svinger i en bestemt retning. Her vises lys som er polarisert vannrett og loddrett, som et eksempel. Figuren er forenklet. Lys består egentlig av to typer svingninger, elektriske og magnetiske. Her er bare den elektriske delen vist. Den bestemmer retningen på polariseringen. (Foto: (Figur: P.wormer, Wikimedia Commons, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license, bearbeidet av forskning.no))

At lyset er polarisert, betyr at lysbølgene svinger i en bestemt retning. Hva kan dette fortelle om magnetfeltet i området? Det er en direkte sammenheng, forklarer Lilensten til forskning.no.

Lyset kommer fra milliarder av små kollisjoner mellom luftpartikler og et regn av elektroner fra sola, blåst ut gjennom rommet av kraftige utbrudd.

Men elektronene går ikke i rett linje fra sola. Magnetfeltet gir dem fart og bremser dem flere ganger, og avbøyer dem langs de magnetiske feltlinjene. Nettopp denne bevegelsen langs feltlinjene er det som instrumentet til Lilensten utnytter.

- Når elektronene kolliderer med luftpartikler høyt oppe i jordas atmosfære, begynner luftpartiklene å svinge i samme retning. Energien i disse svingningene fører til et lysglimt. Dette lyset svinger også i en bestemt retning, vinkelrett på svingningen til luftpartikkelen. Det er polarisert, sier Lilensten.


Se hvordan elektroner fra sola treffer magnetfeltet rundt jorda, og følger de magnetiske feltlinjene!

Feil ved målingen

Slik er teorien. Problemet var at Robert Duncan bare hadde en måling å vise til. Den målingen viste også at lyset var veldig kraftig polarisert – hele 70 prosent.

Flere fysikere på den tida var skeptiske. De mente at kollisjoner luftmolekylene imellom ville forandre retningen til vibrasjonene, i alle mulige retninger. Dermed ville polariseringen av lyset bli borte.

En god idé i Longyearbyen

Teorien til Duncan ble glemt. Men for noen år siden fikk Jean Lilensten den samme idéen, og ble oppmerksom på Duncans mislykkede observasjon. Tenk om nordlyset likevel var polarisert, selv om polariseringen kanskje var mye svakere enn Duncan hadde trodd?

Lilensten er direktør på Institut de Planétologie et d´Astrophysique de Grenoble i Frankrike. Jobben bringer ham jevnlig opp dit hvor nordlyset er – for eksempel til Longyearbyen på Svalbard.

For noen år siden satt han og Jøran Moen fra Fysisk institutt på Universitetet i Oslo på en kafé der oppe. Lilensten la fram idéene sine. Femti år var gått. Kanskje nye og bedre instrumenter kunne oppdage polariseringen?

- Jøran Moen var overbevist om at vi kunne gjennomføre eksperimentet. Han hadde en idé om hvordan instrumentet som Duncan hadde brukt, kunne forbedres, forteller Lilensten.

Lysmålere i Adventdalen

Som tenkt, så gjort. I samarbeid med Lilenstens franske kollega Mathieu Barthélemy, Jøran Moen og Dag Lorentzen og Fred Sigernes ved Universitetssenteret på Svalbard (UNIS) ble spektro-fotopolarimeteret bygget.

I 2006 ble det satt opp på nordlysstasjonen i Adventdalen, rett sørøst for Longyearbyen.

Instrumentet var bygget for å tåle kulde og snø. Det bestod av to følsomme lysmålere som dekket en ganske smal kjegle på himmelen, tilsvarende fire solskiver ved siden av hverandre.

Den ene var et kontrollinstrument. Foran den andre måleren var det montert et filter som bare slapp gjennom lys med en bestemt retning på lysbølgene, altså en bestemt polarisering.

Dette filteret roterte en omdreining på fire sekunder. Etter fire sekunder hadde det altså sveipet gjennom alle mulige polariseringsretninger. Hva ville bli resultatet?

Mathieu Barthélemy (t.v) og Jean Lilensten med spektrofotopolarimetret på Svalbard. (Foto: Mathieu Barthélemy)
Mathieu Barthélemy (t.v) og Jean Lilensten med spektrofotopolarimetret på Svalbard. (Foto: Mathieu Barthélemy)

Svak polarisering

To år seinere kunne Lilensten og kollegene hans offentliggjøre resultatet: Målingene gjennom polariseringsfilteret viste en topp ved en bestemt retning på filteret. Nordlyset var polarisert i denne retningen, men veldig svakt.

- Bare en liten del av lyset var polarisert, og vi kunne bare måle på det svakeste, røde nordlyset. Hvis det var kraftig, grønnaktig nordlys, ble denne andelen enda mindre, forteller Lilensten. Hvordan kan dette forklares?

Bare i det røde nordlyset

Den som har sett gardiner av nordlys blafre over arktisk nattehimmel, har kanskje lagt merke til at fargene skifter.  Noen ganger er det bare rødt. Andre ganger er nordlyset kraftigere, og glir over fra rødt øverst til grønt nederst.

Den øverste røde gløden skyldes oksygenatomer høyt, høyt oppe, 220 kilometer over bakken. Her er lufta så tynn at avstanden mellom oksygenatomene er stor. De kan fritt vibrere i den retningen som elektronregnet har gitt dem. Dermed blir dette røde lyset polarisert.

Bare hvis elektronene har større fart langs de magnetiske feltlinjene, trenger de dypere ned i atmosfæren. Her nede er lufta tettere. Da overtar andre og raskere vibrasjoner, med de kortere, grønne bølgelengdene. Da forstyrrer også luftmolekylene hverandre, og polariseringen blir borte.

Det betyr at Lilensten og kollegene hans i første omgang bare kan måle polarisering i det røde, svake nordlyset i 220 kilometers høyde. Hva skal de gjøre hvis de vil kartlegge de magnetiske feltlinjene over et større område, både lengre ned og høyere opp?

Kurven fra en måling av det røde nordlyset gjort 8. november 2010 viser hvordan lysstyrken varierer med vinkelen på polariseringsfilteret. De røde prikkene viser rådata, mens de grønne prikkene er gjennomsnitt fra åtte omdreininger av polariseringsfilteret, med loddrette grønne streker som usikkerhetsmargin.   (Foto: (Figuren fra fagartikkelen i tidsskriftet Journal of Space Weather and Space Climate.))
Kurven fra en måling av det røde nordlyset gjort 8. november 2010 viser hvordan lysstyrken varierer med vinkelen på polariseringsfilteret. De røde prikkene viser rådata, mens de grønne prikkene er gjennomsnitt fra åtte omdreininger av polariseringsfilteret, med loddrette grønne streker som usikkerhetsmargin. (Foto: (Figuren fra fagartikkelen i tidsskriftet Journal of Space Weather and Space Climate.))

Høyt og lavt

- Vi tror at noen deler av det grønne lyset lengre ned også kan være polarisert, forteller Lilensten.

Når luftmolekylene forstyrrer hverandre her nede, lager de riktignok grønt lys uten polarisering. Men forskerne håper å bruke beregninger for å rense ut effektene av dette lyset, slik at bare det opprinnelige polariserte lyset fra kollisjonene med elektronregnet står igjen.

Høyere opp enn 220 kilometer er det mest hydrogenatomer i atmosfæren. De avgir også stråling når elektronene fra sola kolliderer med dem. Hvis forskerne klarer å måle polariseringen i hele dette området, kan de få et bilde av magnetfeltet over jorda fra 80 til 400 kilometer.

Magnetfeltet til Mars og Venus

I framtida håper Lilensten at romsonder skal kunne bruke tilsvarende instrumenter for å kartlegge magnetfeltene til andre planeter.

- Vi har ingen idé om hvordan magnetfeltene omslutter planetene Mars og Venus, forteller Lilensten. Ennå har ingen romsonder instrumenter som kan måle polariseringen i nordlyset rundt andre planeter.

Kreativt mareritt

Etter de første målingene i Adventdalen, har forskerne gjort flere og bedre målinger i Hornsund i Sør-Spitsbergen nasjonalpark, der lysene fra Longyearbyen ikke forstyrrer. Disse observasjonene ble publisert i tidsskriftet Journal of Space Weather and Space Climate i 2013.

Det neste skrittet for Lilensten og kollegene hans blir å prøve ut en ny utgave av instrumentet fra Universitetet i Tromsøs observatorium i Skibotn, to timers kjøretur øst for Tromsø. Disse forsøkene starter i desember 2014.

I dette instrumentet kan forskerne måle alle polariseringene hele tiden, ikke bare hvert fjerde sekund. Instrumentet kan også måle nordlyset i flere farger, ikke bare i rødt.

- For å komme videre i disse studiene av nordlyset, må vi også samarbeide på tvers av faggrenser, både kjemikere, matematikere og kvantefysikere, forteller Lilensten til forskning.no.

- Det er et mareritt noen ganger, men jeg elsker også dette kreative samarbeidet, sier han.

Lenke og referanse:

Northern lights glimmer with unexpected trait, artikkel på nettsidene til UNIS.

Jean Lilensten et.al: The thermospheric auroral red line polarization: confirmation of detection and first quantitative analysis, Journal of Space Weather and Space Climate, 3/2013, DOI: 10.1051/swsc/2012023

Universitetet i Tromsøs observatorium i Skibotn, nettsider