Aktivt norrsken - Space Plasma Physics

Hur uppstår norrsken?
Institutet för
Rymdfysik
Docent föreläsning
av
Annika Olsson
Docenturnämndens
Representant:
Prof. Ulrik Gelius
Fysiska
Institutionen
Ämnesrepresentant:
Prof. Mats André
Institutet för
Rymdfysik
BACK
2 juni 2004, Ångströmlab.
Innehåll

Introduktion – “FAQ”

Grundförutsättningar

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

BACK
Sammanfattning
Norrsken –
Hemvist för de döda eller högre makter?

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Vad beror norrskens-strålarna på?

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Varför går bågarna i öst-västlig riktning?

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
…vilken utbredning har de?
Vad orsakar färgerna i norrskenet?

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Varför ser norrsken olika ut på dygnet?

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Solfläckar

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol ?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
observationer från
1700- talet
… och
nu
11-års cykel

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol ?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Sol minimum
Sol maximum
Norrsken och solaktivitet

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol ?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Det finns ett samband mellan solfläckar och norrsken
Förutsättningar för norrsken

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Sol
?
Solen är den ursprungliga energikällan,
men hur sker kraftöverföringen?
Jordens magnetfält

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Jorden omges av ett magnetiskt dipolfält
Magnetiska variationer och
norrsken

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Magnetfältstörningar upp till 3 % av det
jordmagnetiska fältet under norrsken
Norrskenstrålars förklaring
1800-talet gav fysiken - magnetfält och norrsken

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Magnetiska fält styr laddade partiklar, (men vilka är
partiklarna, och vilken är deras roll i norrskenprocessen?)
Norrskensoval, förklaring till
öst-västlig utbredning

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Norrsken centrerat
kring magnetiska
nordpolen bildar en
sk norrskensoval jordens gloria
Sydsken bildar på
samma vis en
sydskensoval
Norrskensoval – jordens gloria
Satellitbild av en ständigt aktiv norrskenoval

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Norrsken kan ibland
beskådas av
Uppsalabor
Rymdskyttelbild av
norrskensoval

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Polvandringar
Nutida studier av stelnade lavor ger ledtrådar om
norrskensovalens läge för 2000 år sedan!

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält?

800-talets Östra Arosbor
såg mycket norrsken !
Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Polvandring:
Sammanfatt.
Polvändning:
Intervaller om ~300 000 år
Senaste ~780 000 år
Förutsättningar för norrsken

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

sol
?
Magnetiskt fält
Sammanfatt.
Slutsats: Ett planetärt magnetfält styr laddade partiklar
och orsakar norrsken ...men hur, och vilka är
partiklarna?
Norrskensfärger

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält
Atmosfär ?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Norrskenet har ett linjespektrum
Norrsken kommer från en lysande gas (atmosfären),
Excitationen orsakas av laddade partiklar parallella
med magnetfältet, men vilka är partiklarna?
Förutsättningar för norrsken
atmosfär

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält
Atmosfär

Magnetiskt fält
Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

sol
?
Sammanfatt.
Slutsats: Atmosfären är den bildskärm där
norrskensljuset uppstår,
men vilka laddade partiklar orsakar excitationen?
Sondraketer och satelliter

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält
Atmosfär
Plasma ?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Data från sondraket

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält
Atmosfär
Plasma ?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Energirika
elektroner
relaterade till
norrsken
(inverterat-V)
Plasma- det fjärde tillståndet

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält
Atmosfär
Plasma ?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Rymdåldern - norrskensforskning blir forskning om
plasmafysik
Plasma - joniserad gas
Plasmafysik - med rymden som laboratorium

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält
Atmosfär
Plasma ?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Plasma – joniserad gas
99,999...% av universums
volym består av plasma
Förutsättningar för norrsken
atmosfär

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
plasma
Sol
Magnetfält
Atmosfär
sol
?
Magnetiskt fält
Plasma

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Slutsats: Elektroner som kan krocka med atmosfären
behövs för att alstra norrskensljus
Solutbrott
Solutbrott - 2 dygn senare utbredda norrsken

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält
Atmosfär
Plasma
Solvind ?

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
densitet 0.1 –10 part./cm3
temperaturer upp till 100MK
Förutsättningar för norrsken !
atmosfär

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
plasma
Sol
Magnetfält
Atmosfär
Plasma
sol
solvind
magnetiskt fält
Solvind

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Slutsats: Solvinden, är det kraftöverföringssystem som kan
bära energin från källan till plasmapartiklarna.
Norrsken universellt

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.
Sol
Magnetfält
Atmosfär
Plasma
Solvind

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Hur accelereras elektronerna till så
höga energier?
Magnetfält

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Elektriska fält
Uppåtgående strömområde
Sammanfatt.
Jon stråle
Elektroner
Inverterat-V
”Potential drop people’s” norrskens modell
Magnetfält

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

AKR
Uppåtgående strömområde
Sammanfatt.
Jon stråle Kaviteter
Elektriska fält
Elektroner
Inverterat-V
”Potential drop people’s” norrskens modell
Elektroner

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Magnet fält
Nedåtgående strömområde
Uppåtgående strömområde
Sammanfatt.
Jon stråle Kaviteter
Elektriska fält
Elektroner
Inverted-V
”Potential drop people’s” norrskens modell
Elektroner

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Magnetfält
Nedåtgående strömområde
Uppåtgående strömområde
Sammanfatt.
Jon stråle kaviteter
Elektriska fält
elektroner
Inverted-V
Hur sluts potentialstrukturen?
Polar

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

satellit data 1996-2001, 5000-30000 km höjd
Beroende
av R, MLT, ILAT, Kp, säsong, sol cykel
?
Sammanfatt.
• Viking
•FAST
• Freja
• Polar
Resultat (stabilt norrsken)->
kooperativ modell

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Kaviteter
Elektriska fält
Sammanfatt.
Vågor
Jon strålar
elektroner
Inverterat-V
norrsken
Resultat (stabilt norrsken)->
kooperativ modell

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Jon skal
Bernstein vågor
3.5 RE
Kaviteter
Elektriska fält
Sammanfatt.
Vågor
Jon strålar
elektroner
Inverterat-V
norrsken
Elektron anisotropi
(100-1000 eV)
Resultat (aktivt norrsken)- kooperativ
modell + Alfvèn våg

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
Substorm
Resultat (aktivt norrsken)- kooperativ
modell + Alfvèn våg
kaviteter

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

5 RE
4 RE
Elektriskt fält
3.5 RE
Sammanfatt.
Substorm
Resultat (aktivt norrsken)- kooperativ
modell + Alfvèn våg

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Substorm onset
Alfvèn våg
3.5 RE
Dot-AKR
Sammanfatt.
Substorm
Resultat (aktivt norrsken)- kooperativ
modell + Alfvèn våg

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Under/efter substorm onset
VA~Ve
3.5 RE
Sammanfatt.
Alfvèn våg
Alfvén Resonosphere
Substorm
Sammanfattning
 Grundförutsättningar för norrsken:

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.
sol, solvind, plasma, magnetosfär, atmosfär
 Egna kompletteringar:
Stabilt norrsken: jonskal-> Bernsteinvågor->eanisotropi -> sluten potentialstruktur (”O -potential”)
Aktivt norrsken: Som i stabila fallet + Alfvèn vågor
(”diagnostikum”: dot-AKR 2-3 RE, Alfvèn
resonosfären 4-5 RE)
Fortsättning
följer ...
Norrskenet i siffror

Innehåll

Introduktion

Grundföruts.

Polar data

Stabilt norrsken

Aktivt norrsken

Sammanfatt.