Norrsken
synlig rymdfysik
100 000 000 elektroner per mm2
och sekund
100 km
2009-02-03 Introduktion till rymdteknik
IIngrid Sandahl, Institutet för rymdfysik, Kiruna
Ordbok
• Aurora – Morgonrodnadens gudinna
(Galileo and Giuducci, 1619)
• Aurora borealis (Nordlig morgonrodnad)
• Aurora australis (Sydlig morgonrodnad)
• Norrsken, sydsken
• Polarsken
Grundläggande norrskensförklaring
Innehåll- tisdag 3/2-1
•
•
•
•
•
Grundläggande norrskensförklaring
Norrskensmorfologi - former och färger
Mytologi och folkliga föreställningar
Norrsken och jordens magnetosfär
Norrsken på andra ställen i solsystemet
Solvinden blåser ut i solsystemet
och träffar alla himlakroppar där
• Vackert och variabelt ljus som oftast ses långt
i norr och långt i söder.
• Orsakas av snabba partiklar (joner och
elektroner) från rymden som träffar jordens
övre atmosfär.
• Elektronerna och jonerna styrs av jordens
magnetiska fält.
• Energin kommer från solen via solvinden.
1
eller, mer korrekt, jordens magnetiska
fält, och ger magnetosfären dess form
inklusive Jorden
Jorden
Jordens magnetiska fält
Partiklar från solvinden kan ta sig in
i polartrattarna (polar cusps).....
...och genom magnetosfärens
flanker.
Polartratt (Polar cusp)
Ma
gn
eto
sfä
re
Polartratt (Polar cusp)
n
Elektroner
Joner
Jorden
Partiklar från solvinden och jonsfären
≈ 1 partikel per kubikcentimeter
2
Jordens
magnetiska fält
styr partiklarna
Partiklarna får
energi från
solvinden
Från A till B på
några sekunder
Norrskensovalen
B
A
Norrskensovalen
från satelliterna Viking and Polar
Sydskensovalen
Jorden vrider
sig under
polarskensovalerna
• Norrskenet ligger
på lägre latitud
på nattsidan än
på dagsidan
Natt i Europa
Dag i Europa
3
Syreatomen har fått energi
från elektronen
Elektron
Syreatom
Atmosfären
Jordens
magnetfält
Jorden
Syreatomen avger energin
som en ljusblixt - Norrsken
Norrsken är det mest
mångskiftande av alla
ljusfenomen på himlen
Elektronen krockar
med en kvävemolekyl
Foto: Rolf Gustafsson
Norrskensmorfologi
•
•
•
•
•
Bågar, bågar med strålar
Former
Diskret och diffust norrsken
Färger
Ljud?
Storskalig morfologi, avbildning från
rymden
4
Norrsken frå
från rymdskytteln Discovery
20 december 2006, 18:53:59 UT
Lugn båge
Lugn båge
Stockholm
Foto: Torbjörn Lövgren
Skyttelpassager kvä
kvällen den 20 december 2006
DMSP F16
18:51 UT
Foto:Christer Fuglesang
Båge med
strålar
DMSP F15
16:59 UT
20:28 - 20:31 UT
18:50 - 18:56 UT
Foto: Torbjörn Lövgren
Spiral
Korona
Foto: Torbjörn Lövgren
Bossekop, Alta, Norge 1838-1840
Bild:Paul Gaimard
5
Spiraler
Foto: Rolf Gustafsson
Torbjörn Lövgren
Norrskensutbrott - substormar
Norrskensutbrott registrerat av en
firmamentkamera
N
Misato Observatory
all-sky camera, IRF
Pulsating patch
Pulserande norrsken
Sounding rocket
On
Off
On
Off
On
Off
On
Off
On
All-sky TV: Ilya Koirnilov, PGI, Russia
6
Inverterat norrsken registrerat av ALIS
Rött norrsken
Foto: Masatoshi Yamauchi
Bild: Åke Steen, Urban Brändström, Björn Gustafsson/ALIS
Sydsken från
Rymdskytteln Endeavor
April 6, 2000
Solbelyst
Violett
Grönt
Rött
Bild:NASA
Foto: Yusuke Ebihara
Elektronspektrum över
starkt norrsken
Elektronspektra över diffust norrsken
• Topp -> acceleration
i ett elektriskt fält
• Typiskt för diskret
norrsken
Sergienko et al., 2008
7
Elektronbanor i
magnetosfären
En laddad partikel i ett
magnetfält rör sig i en
spiralbana
• Strålningsbältena
• Diffust norrsken
m
dv
= q ( v × B ) + qE
dt
• Diskret norrsken
Auroral potential structure
Discrete aurora
Norrskensfärger
Fronten på
snabbt rörlig
norrskensform
“Gröna linjen”
Röda
Dominerar
nederkanter
vanligen
Stort rött
norrsken
Norrsken
Solljus
Marklund et al. and ESA
Kväve: N2+
Emissionsprofiler, 0.5 och 5 keV
• Produktion
N 2 + e → N 2+ ( B 2Σu+ ) + 2e
• Emission
N 2+ ( B 2Σu+ ) → N 2+ ( X 2Π u ) + hν (1NG )
• 391.4 nm, 427.8 nm
• Övergång nästan omedelbart
391.4 nm och 427.8 nm
557.7 nm
630.0 nm
650-680 nm
8
Syre O, Förbjudna övergångar
1.96
τ = 110 s
0
1S
630.0 nm
636.4 nm
τ = 0.7 s
297.2 nm
4.17
557.7 nm
eV
1D
Syre: Produktion av gröna linjen
557.7 nm, O(1S)
• Excitation av primärelektron
O + e → O (1S ) + e
• Excitation av termisk elektron
O2+ + eth → O (1S ) + O (3P,1D )
• Kollision med kvävemolekyl
3P
N 2 ( A3Σu+ ) + O → O (1S ) + N 2
Quenching - utsläckning
Produktion
av O(1S)
Varför kan man
använda
intensitetskvoten
mellan 557,7 nm
och 427,8 nm för
att bestämma
energi hos
primärpartiklar?
• Varför kan en och samma
norrskensform vara röd upptill och grön
nertill?
Emissionsprofiler, 0.5 och 5 keV
391.4 nm och 427.8 nm
557.7 nm
630.0 nm
650-680 nm
9
Varför ser
norrskenets
höjdprofiler ut som
de gör?
Chapmanfunktion
Storskalig morfologi Avbildning från rymden
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Hörs norrsken?
Dämpning
100 km
300 m/s
=> 6 min
Hörs Norrsken?
Undersökning 1885 i Norge
Tromholt, 144 svar
65 % tror att det hörs
25 % hört
10 % vet inte
Viner och sprakar
Förklaring saknas
Low level jet?
Mytologi och folklore
MSP, DDA, SPF
South IMF cusp
North IMF cusp
1500 MLT spot
Afternoon detached
arc
HiLDA
SAMPS
ECP
Polar cap arc
Auroral streamer
Froån Frey (2007) Rev. Geophys.
Kina, 2600 f. Kr.
”Den gule kejsaren Shuan-Yuans
moder Fu-Pau såg en stor blixt omge
Su-stjärnan i Bej-Dou med ljuset
skinande över hela fältet. Då blev
hon havande.”
Norrsken i Bibeln, Hesekiel 1, 593 f. Kr.
1. I det trettionde året på den femte dagen i fjärde månaden, när jag
var bland de fångna vid strömmen Kebar, öppnades himmelen,
och jag såg en syn från Gud.
4. Och jag fick se en en stormvind komma norrifrån, ett stort moln
med flammande eld, och ett sken omgav det; och mitt däri, mitt I
elden syntes något som var såsom glänsande malm.
13. Och väsendena voro till sitt utseende lika eldsglöd, som brunno
likasom bloss, under det att elden for omkring mellan väsendena;
och den gav ett sken ifrån sig, och ljungeldar foro ut ur elden.
14. Och väsendena hastade fram och tillbaka likasom blixtar.
28. Såsom bågen som synes i skyn när det regnar, så såg skenet ut
där omkring.
10
Rävjakt i
norrskensljus
Aqsaliaat,
spåren av dem
som spelar fotboll
Knud Leem, 1767
Ett oerhört järtecken, som sågs den 12 januari
1570 över staden Kuttenberg i Böhmen
Folkliga förklaringar
• Rävelder (Revontulet, Finland)
• Sillstim (Sillblixt, Norway, Närke)
• Facklor som samerna bär när de letar
efter renar. (Närke)
• Svanar som frusit fast i moln (Småland)
• Vulkaner vid polerna (Centrifugalkraften
ger upphov till hål där.)
Norrsken som väderförebud
Anta Pirak
En nomad och hans liv
1937
Norrsken
och jordens magnetosfär
”När norrskenet slingrar sig
som en rajd från sydväst mitt över
himmelen eller fladdrar litet i söder
över nordöstra ändan av himmelen
brukar vi säga: Nu kommer snart
sydvästvinden.”
11
Jordens
magnetosfär
Froån Frey 2007 modifierad efter
figur av Russell och Strangeway
Magnetosfärens storlek
Solvindens
dynamiska tryck
Magnetosfärens generator
Trycket hos jordens
magnetiska fält
=
ρ m v 2 ≈ B 2 / 2 μ0
⎛μ a⎞ 1
B=⎜ 0 ⎟ 3
⎝ 2π ⎠ r
För dipolfält:
⎛μ a⎞
r ≈⎜ 0 ⎟
⎝ 4π ⎠
1/ 3
(2μ ρ v )
2 −1 / 6
0
m
100 kV
8-12 RE
Elektriska strömmar i magnetosfären
• Ledare (solvinden) rör sig i ett
magnetfält (jordens magnetfält)
Partikelbanor i magnetosfären
3 adiabatiska invarianter
McPherron, 1991
12
Adiabatiska invarianter
•
Magnetosfär och geosfär
Magnetiska momentet
μ = mv ⊥ /2B
•
Den longitudinella invarianten
J=
•
∫ mv ds
||
Flödesinvarianten
Φa
Det magnetiska flödet
inneslutet av en driftbana
Stormar, substormar och rymdväder
Solenergi
EM strålning
Solvariationer
Solvindsvariationer
1017 W till Jorden
SW Kinetisk
K=ρ0V3l02
1012 – 5 x1013 W
Variationer i magnetosfären
SW Poynting
Effekter
Ε=VB2sin4(Θ/2)l02
0 – 5x1012 W
Solfläckstalet
11 (22) år, solens polvändningar
80-100 år
Norrskensobservationer på mellanlatituder varierar med solaktiviteten
Maunder
Solfläckarna varierar med solens intensitet
13
Innevarande solfläckscykel
Solfläckar och stora magnetiska stormar
Joe Allen, NOAA
http://solar.sec.noaa.gov/SolarCycle/index.html
Koronamassutkastning:
≈10 miljarder ton
het joniserad gas
2003-10-28
QuickTime™ and a
YUV420 codec decompressor
are needed to see this picture.
Solen
Bild: Koronagrafen LASCO på SOHO
Koronahål
• EUV-data
från SOHO
EIT
• Öppna
fältlinjer
• Snabb
solvind
Geomagnetisk
aktivitet under
de 5 senaste
solrotationerna
14
Tidsvariationer i magnetosfären
Direkt
Indirekt
Kompression
Uppladdning -
Vindstrumpa
Urladdning
Simulering av substorm
Reconnection
Nuvarande paradigm för sol-jordväxelverkan
Eastwood, 2008
29 oktober 2003 23.00 LT
NASA
Den
horisontella
strömmen i en
norrskensbåge
kan uppgå till
106 A
15
Norrsken på andra planeter
Norrsken på Jupiter och Saturnus
• Norrskensfenomen har observerats på
alla planeter i solsystemet
• Kan gröna linjen användas som signatur
på syre på extraterrestra planter?
Bilder: Hubble space telescope
Heliosfären
Aurora Equatorialis över Mars
ASPERA-3 data
MEX orbit
Downgoing
acceller.
electrons
Upgoing
accelerated
ions
Interstellära
vinden
• Magnetic cusps connected to Mars
• Electron acceleration (like over Earth´s polar region) (Lundin et al, Science,
2006)
• Auroral emissions? Airglow discovered by SPICAM (Bertaux et al, Science,
2005)
Solen
16
