Hvordan opstår nordlys?

Nordlys har gennem det meste af historien været en gåde, som videnskaben ikke kunne løse.

Som vi skal se, har der været mange forsøg, men vi skal helt frem til 1896, før den norske fysiker Kristian Birkeland kom med den forklaring, som i dag danner grundlaget for vores forståelse af nordlyset.

Der er dog stadig behov for forskning, da nordlys i virkeligheden er et meget kompliceret fænomen.

De første skridt mod en forklaring

Det nok største problem for de første videnskabsmænd i Europa var simpelthen, at nordlys er ganske sjældent på vores breddegrader, og det var alt for dyrt og besværligt at rejse op til det nordlige Norge eller Grønland for virkeligt at studere fænomenet.

Man var stort set henvist til, hvad andre havde set og beskrevet.

Man har naturligvis også i Europa kendt til nordlys gennem hele historien – faktisk findes der en hule i det sydvestlige Frankrig, hvor der er en 30.000 år gammel afbildning af noget, som godt kunne være nordlys.

Så tager vi et stort spring frem til 1619, hvor Galileo selv så nordlys.

Han gav fænomenet navnet ’aurora borealis’ efter den romerske gudinde for daggry, Aurora, og Borealis, den græske gud for nordenvinden. Han forsøgte sig også med en videnskabelig forklaring, nemlig at nordlys er en refleksion af sollys højt oppe i atmosfæren.

I 1700-tallet foreslog den førende amerikanske filosof og politiker Benjamin Franklin, at nordlys blev skabt af elektriske ladninger koncentreret omkring polerne, som blev intensiveret af sne og fugt.

Men den helt afgørende begivenhed var den såkaldte Carrington-hændelse i 1859, hvor et udbrud på Solen skabte nogle meget imponerende nordlys, som man kunne se næsten helt ned i troperne.

Samtidig udbrød der det, vi i dag kalder en magnetisk storm, som er en voldsom forstyrrelse af Jordens magnetfelt. Det havde som konsekvens, at telegrafstationer blev afbrudt, og nogle ligefrem brød i brand.

Carrington-hændelsen viste, at nordlys hænger sammen med Jordens magnetfelt, men også at en magnetisk storm kan være ganske farlig. I 1859 gik det kun ud over nogle få telegrafstationer, men i dag ville en magnetisk storm af denne styrke bogstavelig talt kunne lamme Jorden, fordi vi nu er så afhængige af elektrisk udstyr.

I dag ved vi, at magnetiske storme og aktivt nordlys kan forstyrre kommunikationen. Det kan forstyrre radio- og radarsignaler og endda sætte satellitter ud af spil.

Men der manglede endnu et stort skridt; nemlig at forklare hvordan Jordens magnetfelt kan skabe nordlys – og det skridt blev først taget 37 år efter Carrington-hændelsen af Kristian Birkeland i Norge. Mere om det senere.

I denne periode forskede man i nordlys, og en af dem som i høj grad bidrog, var en i dag næsten ukendt dansker.

En ukendt dansker var førende nordlysforsker

Danskeren hedder Sophus Tromholt, og han levede fra 1851-1896.

Han var lærer af uddannelse og en af de første, som virkelig undersøgte observationer af nordlys, både ved at indsamle observationer fra hele Skandinavien, men også ved at observere nordlys fra Grønland. Han tog muligvis også det første fotografi af nordlys i 1885.

Under de internationale polarår 1882-83, som var en periode med fokus på videnskabelig forskning i polarområderne, opholdt Sophus Tromholt sig i Kautokeino i Finnmarken for at studere nordlys fra et lille, og efter moderne forhold, meget primitivt observatorium.

Resultatet var, at han blev den første, der pålideligt målte nordlysets højde, stadfæstede sammenhængen mellem solpletter og nordlys og beskrev nordlysovalen, altså det område omkring den magnetiske pol, hvor man kan se nordlyset.

Hans store bidrag var ikke bare at støtte sig til andenhåndsberetninger, som man hidtil havde gjort, men selv at udføre grundige observationer og målinger.

Alene det at vide, at nordlys normalt finder sted mere end 100 km oppe, var jo meget vigtigt for senere teorier.

Her er et lille uddrag af hans beskrivelser af fænomenet:

»Fra den ene side af himlen til den anden svæver et draperi, vævet af lys og farve; nu her, nu der, først et, så to, så flere bånd, det ene over det andet, aldrig i ro, og aldrig den samme form, hid og der svinger folderne med en blød, fascinerende bevægelse, som fra den ene ende til den anden bølger af lys, jager hinanden, overhaler, krydser, mødes, mens den nederste, intense kant viser de smukkeste farver af rød og grøn, den øverste falmer ind i den mørke baggrund«.

Birkeland skabte nordlys i laboratoriet

Det store gennembrud kom, da den unge norske fysiker Kristian Birkeland i 1896 kunne demonstrere dannelse af nordlys i et laboratorieforsøg, som man kan se her:

Baggrunden for forsøget var noget, som fysikere på den tid var meget optaget af, nemlig de såkaldte katodestråler, som er den stråling, der udsendes fra den negative elektrode (katoden) i et elektronrør.

Den engelske fysiker J.J. Thomson kunne i 1897 vise, at strålingen består af negativt ladede partikler (elektroner).

Som fysiker var Birkeland naturligvis interesseret i katodestråler, og hans teori gik ud på, at nordlyset kommer fra katodestråler, der udsendes fra Solen. Når katodestrålerne når frem til Jorden, trækkes de ind mod de magnetiske poler, hvor de får den atmosfæriske gas til at gløde.

Senere fremsatte han den teori, at der ikke bare kommer elektroner fra Solen, men også positive partikler. Denne strøm af positive og negative partikler kalder vi i dag for solvinden.

Til forsøget havde han bygget en såkaldt ’terrella’, en lille magnetiseret kugle, som skulle simulere Jorden. I et særligt kammer bestrålede han kuglen med katodestråler. Der blev da skabt et lysfænomen, der fuldstændigt minder om nordlys.

Der var kun et problem ved teorien, nemlig at man dengang ikke havde mulighed for at undersøge, om der virkelig blæser en solvind, som rækker lige fra Solens overflade og som minimum ud til Jordens bane 150 millioner km fra Solen.

Disse målinger kan kun foretages ud i rummet, og den første måling af solvinden blev derfor først foretaget i 1959 af den russiske rumsonde Luna 1, og 3 år senere i 1962 af den amerikanske Venussonde Mariner 2.

Målingerne viste, at det meste af solvinden består af ioniseret brint, altså protoner og elektroner.

Birkeland havde altså ret i, at der både kommer ’katodestråler’, altså elektroner, fra Solen, men også positive partikler som protoner. Når solvinden nærmer sig Jorden, møder den Jordens magnetfelt. Uden dette magnetiske felt, der beskytter planeten, ville solvinden blæse Jordens skrøbelige atmosfære væk og forhindre alt liv.

I dag ved vi, at det meste af solvinden blokeres af Jordens magnetfelt, så den ‘blæser rundt om Jorden’ og fortsætter længere ud i solsystemet.

Men i området omkring de to magnetiske poler kan noget af solvinden ramme de øverste lag af atmosfæren, og det sker normalt i en højde på 80-250 km. De magnetiske poler befinder sig for tiden omkring 1300 km fra de geografiske poler.

De magnetiske storme som Carrington-hændelsen skabes af de såkaldte ’Coronal Mass Ejections’ (CME), der er en enorm plasmasky, der pludselig slynges ud fra Solen med en enorm fart på flere hundrede km i sekundet. En CME, der rammer Jorden direkte som i 1859, er heldigvis en sjældenhed. Det er derfor, det bestemt ikke er almindeligt at se nordlys i troperne.

Birkelands teori og forsøg danner stadig grundlaget for vores forståelse af nordlyset. Han blev indstillet til Nobelprisen hele 7 gange, men fik den aldrig – til gengæld har han prydet de norske 200-kronesedler.

Nordlysets mange farver

Nordlys har som bekendt mange farver og for at forklare farverne, får vi brug for lidt atomfysik til at forklare, hvad der sker, når elektroner fra solvinden rammer ned i Jordens atmosfære.

De to vigtigste luftarter i Jordens atmosfære er nitrogen (78 procent) og ilt (21 procent). Når solvinden rammer atmosfæren, frigives energi, der dels varmer atmosfæren op, dels tilfører elektronerne i både ilt-og nitrogen-atomer så meget energi, at de kan komme op i højere baner omkring atomkernen.

Man siger, at atomerne bliver 'exciterede', og det er en meget ustabil tilstand, idet elektronerne meget hurtigt vender tilbage til deres oprindelige baner.

Når elektronerne falder fra en høj bane til en lavere bane, tabes energien igen, og den udsendes som lys med en bestemt bølgelængde eller farve.

De grønne og de røde farver er forårsaget af iltatomer i 'exciteret tilstand' – altså med høj energi. De grønne farver kommer fra iltatomer, der er 100 til 150 kilometer over jorden, og de røde er 150 til 350 kilometer over jorden - men det sker normalt kun, når nordlyset er særligt energisk.

Den anden gas i Jordens atmosfære er nitrogen, der er svær at 'excitere'. Men når det sker, så kan de producere den smukkeste af alle nordlysfarver – en lilla-lyserød farve.

Man kan se den, når nordlyset er mest aktivt. Farven stammer fra partikler mellem 95 og 100 kilometer over Jorden. 'Exciterede' nitrogenatomer i højder på 250-400 km kan også give en turkisblå farve eller en dybere blå slags.

Men farvedannelsen er et meget kompliceret fænomen, fordi den afhænger af mange ting som luftens tæthed, temperatur og ioniseringstilstand.

Det letteste er nok bare at nyde synet og så overlade de detaljerede forklaringer til videnskaben: