Store opdagelser: Nordlysets gåde
I H.C. Andersens eventyr Snedronningen rider lille Gerda på et rensdyr til Lapland. Ulvene hyler, og ravnene skriger. »'Fut! Fut!’ sagde det på himlen. Det var ligesom om de nyste rødt. ’Det er mine gamle nordlys’, sagde rensdyret, ’se, hvor de lyse!’«

Det majestætiske, flakkende og gådefulde nordlys optræder i mange former og varianter af farver, men det indeholder altid en karakteristisk grønlig farve af bølgelængden 557,7 nanometer.(Nordlys over Faskrudsfjordur, Island. Foto: Jónína Óskarsdóttir)

Det majestætiske, flakkende og gådefulde nordlys optræder i mange former og varianter af farver, men det indeholder altid en karakteristisk grønlig farve af bølgelængden 557,7 nanometer.(Nordlys over Faskrudsfjordur, Island. Foto: Jónína Óskarsdóttir)
Partner 50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben

I denne bog gives der en fremstilling af 50 markante gennembrud i naturvidenskaberne, der alle har været med til at skabe det moderne ver

 

Nordlyset eller aurora borealis har fascineret og undret iagttagere siden oldtiden, hvor det blev diskuteret af blandt andet Aristoteles i Meteorologica, en bog om himmelfænomener fra omkring 330 f.Kr.

Ifølge den græske filosof var nordlys et 'meteorisk' fænomen, der opstod, når luftens tørre gasser kom i kontakt med ildelementet.

Mens Aristoteles' forklaring var naturalistisk, blev nordlys i middelalderen og renæssancen opfattet som et dystert varsel, et skæbnesvangert tegn fra Gud, mere end som et naturligt fænomen.

Det første nordlys blev først beskrevet i 1600-tallet

Først efter det naturvidenskabelige gennembrud i 1600-tallet optræder de første videnskabelige beskrivelser af nordlyset.

Ole Rømer (1644-1710) oplevede et spektakulært nordlys i København i 1707 og meddelte straks sine observationer i Miscellanea Berolinensia, et lærd tidsskrift udgivet af videnskabsakademiet i Berlin.

Også den engelske astronom Edmond Halley (1656-1742) – berømt for sin komet – beskrev på denne tid det gådefulde fænomen.

Solen måtte styre nordlyset

Han mente, det skyldtes en 'magnetisk uddunstning', der strømmede ud fra Jorden. Vi skal dog helt op til anden halvdel af det 19. århundrede, før naturforskerne for alvor tog livtag med nordlyset og forsøgte at fravriste det dets hemmeligheder.

Hvor højt oppe befinder de sært flakkende nordlys sig? Hvor stammer de fra, og hvad er årsagen til dem? Hvilke stoffer og processer er ansvarlige for den palet af farver, der udgør fænomenet? Dette var de vigtigste af de gåder, fysikere og meteorologer søgte at løse.

I 1852 kunne den svejtsiske astronom Rudolf Wolf (1816-1893) vise, at hyppigheden af nordlys er korreleret til hyppigheden af solpletter: I begge tilfælde varierer de med en cyklus på 11 år. Sammenhængen var et klart fingerpeg om, at Solen på en eller anden måde styrede nordlyset.

Og ikke nok med det, for variationen i Solens aktivitet og dermed hyppigheden af nordlys var også korreleret til jordmagnetismen i form af 'magnetiske uvejr'. Men hvorfor var der disse sammenhænge mellem solpletter, nordlys og jordmagnetisme?

Partikler blev afbøjet og accellereret af Jordens magnetfelt

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

Det viste sig, at hovedparten af nordlys dannes i den ydre og meget tynde atmosfære, typisk i højder mellem 100 og 600 kilometer.

Studiet af katodestråler og opdagelsen af elektronen i 1897 gav anledning til teorier om, at nordlyset var forårsaget af elektroner og andre elektriske partikler fra Solen, som blev afbøjet i og accelereret af Jordens magnetfelt.

Når partiklerne ramte atomer i den ydre atmosfære, ville de sætte dem i svingninger og forårsage udsendelse af lys fra atomerne.

Allerede i 1893 foreslog den danske fysiker og meteorolog Adam Paulsen (1833-1907), at katodestråler var ansvarlige for nordlyset, og det skulle vise sig at være vejen frem.

Norsk forsker skabte kunstigt nordlys

Den elektriske teori blev især udviklet af den norske fysiker Kristian Birkeland (1867-1917), der i starten af 1900-tallet søgte at bekræfte den ved hjælp af en række spektakulære eksperimenter, hvor han i laboratoriet skabte 'kunstige nordlys'.

Birkelands hypotese blev accepteret som en ganske rimelig forklaring, og den bliver stadig, om end kun i meget grove træk, anset for væsentligt korrekt.

En alternativ, men dog noget lignende hypotese blev i 1900 fremført af den svenske kemiker og fysiker Svante Arrhenius (1859-1927), der to år senere blev tildelt Nobelprisen i kemi.

Han mente, at de elektriske partikler blev fragtet fra Solen til Jordens ydre atmosfære ved hjælp af sollysets tryk. De tidlige elektriske partikelteorier blev ikke blot brugt til at forklare nordlyset, men også til at forklare det ejendommelige lys, der udsendes fra halen af kometer.

Ved hjælp af spektroskopi kunne stofferne identificeres

Gåden om nordlysets farver, det vil sige bølgelængden af dets lys, var det sværere at få styr på. Det stod tidligt klart, at for at løse gåden måtte man studere spektret af nordlyset i form af de spektrallinjer, lyset består af og som kan observeres i et spektroskop.

Ved at sammenligne spektrallinjernes bølgelængder med dem, man kunne producere i laboratoriet, gjorde man sig håb om at identificere de stoffer i den ydre atmosfære, der var ansvarlige for dem.

Den norske matematiker Carl Størmer (1874-1957) var sammen med landsmanden Kristian Birkeland pioner i udforskningen af nordlyset. Han bidrog både med en teoretisk forståelse af fænomenet og, som på billedet, med målinger i det ugæstfrie terræn. (Nordlysfotografering, 1910. Norsk Folkemuseum. Foto: Anders Beer Wilse)

Ved hjælp af denne gennemprøvede metode lykkedes det omkring 1900 at redegøre for næsten alle linjerne i nordlysets spektrum.

 

Den grønlige bølge er karakteristisk

Men en enkelt linje manglede, og det var, selvfølgelig, den mest karakteristiske af alle nordlysets linjer, nemlig en grønlig linje med bølgelængde tæt på 557,7 nanometer.

På trods af nordlysets mange og vekslende farver optræder netop denne farve i alle spektre, hvorfor den blev symbolet for hele gåden om nordlysets spektrum: Først når man havde forstået, hvor den kom fra, havde man forstået nordlyset.

Dette problem blev første gang søgt løst i 1868 – og et halvt hundrede år senere var det stadig uløst.

 

Ingen støtte til hypotesen om et nyt grundstof

I den mellemliggende tid fremkom utallige forslag om, hvad den drilske grønne linje kunne skyldes. Blandt kandidaterne var kendte gasser som ilt, kvælstof og krypton, men uden at disse kunne reproducere den grønne linje.

Enkelte forskere foreslog, nærmest i desperation, at linjen måske skyldtes et ukendt grundstof, der kun fandtes i de højere atmosfæriske regioner.

Ifølge en hypotese fremsat i 1869 af den amerikanske videnskabsmand Charles S. Peirce (1839-1914) – der i dag kendes som filosof og grundlægger af den semiotiske skole – var grundstoffet endda lettere end brint.

Forståeligt nok vandt denne og lignende hypoteser ikke støtte blandt nordlysforskerne.

 

Fysiker konkluderer, at de ikke ved noget om oprindelsen

I 1910 var man ikke kommet nærmere en forklaring, hvilket fik en tysk fysiker til pessimistisk at konkludere:

»Vi ved overhovedet ikke noget om polarlysets kemiske oprindelse.«

Birkeland i sit laboratorium i Oslo, hvor han med et højspændingsapparat sender katodestråler mod en magnetiseret metalkugle, der simulerer Jorden. Hans eksperimenter med at 'tæmme nordlyset' vakte international opmærksomhed.

Men så skete der endelig noget. For den norske fysiker Lars Vegard (1880-1963), der var elev af Birkeland, var nordlyset en livslang passion. Han var en autoritet på området og mente, at den grønne linje skyldtes små kvælstofkrystaller i den ydre og iskolde atmosfære.

 

Beviste efter hårdt arbejde, at han havde ret

Denne hypotese, som han først foreslog i 1919, hævdede han ud fra såvel teoretiske som eksperimentelle grunde.

Overbevist om sin hypoteses sandhed lavede han avancerede eksperimenter ved ekstremt lave temperaturer (omkring – 240 °C), hvor han optog spektret af frossent kvælstof. Efter et par års hårdt arbejde meddelte han triumferende, at han nu – endeligt – havde løst nordlysets gåde:

Den grønne linje skyldtes, som han havde antaget, frossent kvælstof.

 

Der var slet ikke tale om en opdagelse

Der er næppe tvivl om, at Vegard var forudindtaget i sin fortolkning af måleresultaterne. Han ønskede at bekræfte sin yndlingshypotese, og det gjorde han så. Triumfen viste sig da også at være kortvarig, og opdagelsespåstanden at være forhastet.

Der var slet ikke tale om en opdagelse.

Den endelige løsning kom fra Vegards rival i Toronto, den canadiske fysikprofessor John McLennan (1867-1935), der ikke havde nogen tiltro til den sensationelle nyhed fra Oslo. Han havde faktisk forsøgt at reproducere Vegards resultater, men uden held.

Sammen med sin assistent og ph.d.-studerende, den dengang 28-årige Gordon Shrum (1896-1985), undersøgte han i 1925, om den grønne linje kunne skyldes en usædvanlig form af helium, der ikke fandtes på Jorden, men som måske dominerede den øvre atmosfære.

 

Eksperimenter med ilt gav perfekt match

Shrum opdagede her, at en kold heliumgas, der ved et tilfælde var blevet forurenet med ilt, afgav en spektrallinje, der havde en mistænkelig lighed med den eftersøgte grønne linje fra nordlyset. Derimod fandtes linjen ikke i den rene helium.

Logisk nok sluttede de to canadiske fysikere nu, at den grønne linje nok skyldtes ilt, og eksperimenter med det rene grundstof bekræftede dem i deres formodning.

Nordlysets magi, her fra Skjomen i det nordlige Norge. (Nordlys over Skjomen, 2012. Foto: Sigurd Skjelmo)

I efterfølgende eksperimenter med ren ilt fik de en perfekt match, nemlig en bølgelængde på 557,735 ± 0,015 nanometer, mens den bedste måling fra nordlyset var 557,735 ± 0,001 nanometer.

 

Shrums chef fik æren for opdagelsen

Denne gang holdt opdagelsen stik, idet den blev bekræftet af senere målinger. Den gådefulde grønne linje var ikke længere gådefuld. Den stammede fra iltatomer i en såkaldt metastabil tilstand, der kunne forklares ud fra den nye kvantemekanik.

Opdagelsen var et gennembrud i nordlysforskningen og McLennan, der var leder af laboratoriet i Toronto, blev da også behørigt hyldet for sin indsats. Han blev endda nomineret til en Nobelpris i fysik, dog uden at blive tildelt den eftertragtede pris.

Den videnskabelige hæder gik altså udelukkende til McLennan, mens den rolle, hans assistent Shrum spillede, blev overset og stadig overses. I realiteten skyldtes opdagelsen Shrum, som var den første til at bemærke den grønne linje i laboratoriet og foreslå, at den skyldtes ilt.

Først efter at han havde informeret sin chef McLennan om sin iagttagelse, overtog denne arbejdet – og fik æren for opdagelsen.

 

Makkerskabet forløb ikke helt fair

Det er hverken første eller sidste gang i videnskabshistorien, at makkerskabet mellem en kendt og indflydelsesrig professor og en ung og ukendt assistent ikke forløb helt fair.

Shrum følte ikke uden grund, at hans afgørende rolle i opdagelsen blev forbigået, mens McLennan profiterede af den. I videnskabssociologien taler man om 'Matthæus-effekten', med henvisning til Matthæusevangeliet 13: 12:

»Thi den, som har, ham skal der gives, og han skal få overflod; men den som ikke har, fra ham skal endog det tages, som han har.«

 

Raketter og satelitter har hjulpet med forståelsen af fænomenet

Med opdagelsen af den grønne linje i 1925 blev nordlyset et mindre gådefuldt himmelsk fænomen, men naturligvis var der stadig meget at udforske. Det gjaldt ikke blot nordlyset, men også det tilsvarende fænomen på den sydlige halvkugle, sydlyset eller aurora australis.

Den fælles og måske mere politisk korrekte betegnelse er aurora polaris. Med brugen af raketter og senere af satellitter til udforskning af den ydre atmosfære er mange spørgsmål blevet besvaret.

Området er stadig et aktivt og tværfagligt forskningsfelt, der dyrkes af såvel fysikere, kemikere, geologer og meteorologer.

Selv om de bliver stadig klogere på detaljerne i polarlyset, hører den heroiske fase i denne forskningsgren fortiden til. Man forventer ingen nye opdagelser, der rykker ved grundlaget for vores forståelse af nordlysets natur og oprindelse.
 

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.