1

IIngrid Sandahl, Institutet för rymdfysik, Kiruna

Norrskensynlig rymdfysik

2009-02-03 Introduktion till rymdteknik

100 km

100 000 000 elektroner per mm2

och sekund

Ordbok

• Aurora – Morgonrodnadens gudinna (Galileo and Giuducci, 1619)

• Aurora borealis (Nordlig morgonrodnad)• Aurora australis (Sydlig morgonrodnad)• Norrsken, sydsken• Polarsken

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

Grundläggande norrskensförklaring

• 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.

Solvinden blåser ut i solsystemet och träffar alla himlakroppar där

2

inklusive Jorden

Jorden

eller, mer korrekt, jordens magnetiska fält, och ger magnetosfären dess form

Jordens magnetiska fält

Partiklar från solvinden kan ta sig in i polartrattarna (polar cusps).....

Polartratt (Polar cusp)

Polartratt (Polar cusp)

...och genom magnetosfärens flanker.

Magnetosfären

Jorden

Elektroner

Joner

Partiklar från solvinden och jonsfären≈ 1 partikel per kubikcentimeter

3

Partiklarna fårenergi frånsolvinden

Jordensmagnetiska fältstyr partiklarna

A

B

Från A till B pånågra sekunder

Norrskensovalen

Sydskensovalen

Norrskensovalen från satelliterna Viking and Polar

Natt i Europa Dag i Europa

Jorden vrider sig under polarskens-ovalerna

• Norrskenet ligger på lägre latitud på nattsidan än på dagsidan

4

Atmosfären

Elektron

Syreatom

Jorden

Jordensmagnetfält

Syreatomen har fått energifrån elektronen

Syreatomen avger energinsom en ljusblixt - Norrsken

Elektronen krockarmed en kvävemolekyl

Foto: Rolf Gustafsson

Norrsken Norrsken äär det mest r det mest mmåångskiftande av alla ngskiftande av alla ljusfenomen pljusfenomen påå himlenhimlen

Norrskensmorfologi

• Former• Diskret och diffust norrsken• Färger• Ljud?• Storskalig morfologi, avbildning från

rymden

Bågar, bågar med strålar

5

Lugn båge

Foto: Torbjörn LövgrenLugn båge

Norrsken frNorrsken fråån rymdskytteln Discovery n rymdskytteln Discovery 20 december 2006, 18:53:59 UT20 december 2006, 18:53:59 UT

Foto:Christer FuglesangStockholm

Skyttelpassager kvSkyttelpassager kväällen den 20 december 2006llen den 20 december 2006

20:28 20:28 -- 20:31 UT20:31 UT

18:50 18:50 -- 18:56 UT18:56 UT

DMSP F15 16:59 UT

DMSP F16 18:51 UT

Båge med strålar

Foto: Torbjörn Lövgren

Korona

Foto: Torbjörn LövgrenBossekop, Alta, Norge 1838-1840 Bild:Paul Gaimard

Spiral

6

Spiraler

Foto: Rolf Gustafsson Torbjörn Lövgren

Norrskensutbrott Norrskensutbrott -- substormarsubstormar

N

Norrskensutbrott registrerat av en firmamentkamera

Misato Observatory all-sky camera, IRF

On On

On

On On

Off

Off Off

Off

Sounding rocketPulsating patch Pulserande norrsken

All-sky TV: Ilya Koirnilov, PGI, Russia

7

Bild: Åke Steen, Urban Brändström, Björn Gustafsson/ALIS

Inverterat norrsken registrerat av ALIS

Foto: Masatoshi Yamauchi

Rött norrsken

Foto: Yusuke Ebihara

April 6, 2000

Solbelyst Violett

Grönt

Rött

Bild:NASA

Sydsken från Rymdskytteln Endeavor

Elektron-spektrum över starkt norrsken

• Topp -> acceleration i ett elektriskt fält

• Typiskt för diskret norrsken

Elektronspektra över diffust norrsken

Sergienko et al., 2008

8

Elektronbanor i magnetosfären• Strålningsbältena

• Diffust norrsken

• Diskret norrsken

En laddad partikel i ett magnetfält rör sig i en spiralbana

( ) EBvv qqdtdm +×=

Auroral potential structure Discrete aurora

Marklund et al. and ESA

Norrskensfärger

Norrsken

Solljus

“Gröna linjen”Dominerarvanligen

Stort röttnorrsken

Rödanederkanter

Fronten påsnabbt rörlignorrskensform

Kväve: N2+

• Produktion

• Emission

• 391.4 nm, 427.8 nm• Övergång nästan omedelbart

)1()()( 22

22 NGhXNBN uu ν+Π→Σ +++

eBNeN u 2)( 222 +Σ→+ ++

Emissionsprofiler, 0.5 och 5 keV

391.4 nm och 427.8 nm 557.7 nm 630.0 nm 650-680 nm

9

Syre O, Förbjudna övergångar

eV

4.17

1.96

0

τ = 0.7 s

τ = 110 s63

0.0

nm557.

7 nm

297.

2 nm

6 36 .

4 n m

1S

1D

3P

Syre: Produktion av gröna linjen557.7 nm, O(1S)

• Excitation av primärelektron

• Excitation av termisk elektron

• Kollision med kvävemolekyl

eSOeO +→+ )(1

),()( 1312 DPOSOeO th +→++

213

2 )()( NSOOAN u +→+Σ+

Produktion av O(1S)

Quenching - utsläckning• Varför kan en och samma

norrskensform vara röd upptill och grönnertill?

Varför kan man använda intensitetskvoten mellan 557,7 nm och 427,8 nm för att bestämma energi hos primärpartiklar?

Emissionsprofiler, 0.5 och 5 keV

391.4 nm och 427.8 nm 557.7 nm 630.0 nm 650-680 nm

10

Varför ser norrskenets höjdprofiler ut som de gör?

Chapmanfunktion

Hörs norrsken?

Dämpning

100 km300 m/s=> 6 min Viner och sprakar

Förklaring saknasLow level jet?

Undersökning 1885 i NorgeTromholt, 144 svar65 % tror att det hörs25 % hört10 % vet inte

Hörs Norrsken?

Storskalig morfologi -Avbildning från rymden

Froån Frey (2007) Rev. Geophys.

1. MSP, DDA, SPF2. South IMF cusp3. North IMF cusp4. 1500 MLT spot5. Afternoon detached

arc6. HiLDA7. SAMPS8. ECP9. Polar cap arc10. Auroral streamer

Mytologi och folklore

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 molnmed flammande eld, och ett sken omgav det; och mitt däri, mitt Ielden syntes något som var såsom glänsande malm.

13. Och väsendena voro till sitt utseende lika eldsglöd, som brunnolikasom 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.

11

Rävjakt i norrskens-ljus

Knud Leem, 1767

Aqsaliaat, spåren av demsom spelar fotboll

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

”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.”

Anta PirakEn nomad och hans liv1937

Norrsken och jordens magnetosfär

12

Jordens magnetosfär

Froån Frey 2007 modifierad efter figur av Russell och Strangeway

Magnetosfärens storlekSolvindens dynamiska tryck

Trycket hos jordens magnetiska fält

För dipolfält: 30 1

2 raB ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

πμ

=

022 2/ μρ Bvm ≈

( ) 6/120

3/10 2

4−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛≈ var mρμ

πμ 8-12 RE

Magnetosfärens generator

• Ledare (solvinden) rör sig i ett magnetfält (jordens magnetfält)

100 kV

Elektriska strömmar i magnetosfären

McPherron, 1991

Partikelbanor i magnetosfären3 adiabatiska invarianter

13

Adiabatiska invarianter

• Magnetiska momentet

• Den longitudinella invarianten

• Flödesinvarianten

μ = mv⊥ /2B

J = mv||∫ ds

ΦaDet magnetiska flödet inneslutet av en driftbana

Magnetosfär och geosfär

Stormar, substormar och rymdväder

Solvariationer

Solvindsvariationer

Variationer i magnetosfären

Effekter

SolenergiEM strålning

1017 W till Jorden

SW Kinetisk

K=ρ0V3l02

1012 – 5 x1013 W

SW Poynting

Ε=VB2sin4(Θ/2)l02

0 – 5x1012 W

Solfläckstalet11 (22) år, solens polvändningar80-100 år

Solfläckarna varierar med solens intensitet

Norrskensobservationer på mellan-latituder varierar med solaktiviteten

Maunder

14

Innevarande solfläckscykel

http://solar.sec.noaa.gov/SolarCycle/index.html

Solfläckar och stora magnetiska stormar

Joe Allen, NOAA

Solen

Bild: Koronagrafen LASCO på SOHO

Koronamassutkastning: ≈10 miljarder ton het joniserad gas

2003-10-28

QuickTime™ and aYUV420 codec decompressor

are needed to see this picture.

Koronahål

• EUV-data från SOHO EIT

• Öppna fältlinjer

• Snabb solvind

Geomagnetisk aktivitet under de 5 senaste solrotationerna

15

Direkt Indirekt

Kompression

VindstrumpaUppladdning -

Urladdning

Tidsvariationer i magnetosfären ReconnectionNuvarande paradigm för sol-jordväxelverkan

Eastwood, 2008

Simulering av substorm

NASA

29 oktober 2003 23.00 LT

Den horisontella strömmen i en norrskensbåge kan uppgå till106 A

16

Norrsken på andra planeter

• Norrskensfenomen har observerats påalla planeter i solsystemet

• Kan gröna linjen användas som signatur på syre på extraterrestra planter?

Norrsken på Jupiter och Saturnus

Bilder: Hubble space telescope

Aurora Equatorialis över Mars

Downgoing acceller. electrons

Upgoing accelerated

ions

MEX orbit

• 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)

ASPERA-3 data

Heliosfären

Solen

Interstellära vinden