Norrsken synlig rymdfysik 100 000 000 elektroner per mm 2 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 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 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
inklusive Jorden eller, mer korrekt, jordens magnetiska fält, och ger magnetosfären dess form Jorden Jordens magnetiska fält Partiklar från solvinden kan ta sig in i polartrattarna (polar cusps)......och genom magnetosfärens flanker. Polartratt (Polar cusp) Magnetosfären Polartratt (Polar cusp) Elektroner Joner Jorden Partiklar från solvinden och jonsfären 1 partikel per kubikcentimeter 2
Partiklarna får energi från solvinden Jordens magnetiska fält styr partiklarna Från A till B på några sekunder B Norrskensovalen A Sydskensovalen Norrskensovalen från satelliterna Viking and Polar Jorden vrider sig under polarskensovalerna Norrskenet ligger på lägre latitud på nattsidan än på dagsidan Natt i Europa Dag i Europa 3
Elektron Syreatomen har fått energi från elektronen Syreatom Atmosfären Jordens magnetfält Jorden Syreatomen avger energin som en ljusblixt - Norrsken Norrsken är r det mest mångskiftande av alla ljusfenomen påp 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
Lugn båge Norrsken från n rymdskytteln Discovery 20 december 2006, 18:53:59 UT Lugn båge Foto: Torbjörn Lövgren Foto:Christer Fuglesang Stockholm Skyttelpassager kvällen den 20 december 2006 Båge med strålar DMSP F16 18:51 UT DMSP F15 16:59 UT 20:28-20:31 UT 18:50-18:56 UT Foto: Torbjörn Lövgren Korona Spiral 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 Sounding rocket Pulserande norrsken On Off On Off On Off On Off On All-sky TV: Ilya Koirnilov, PGI, Russia 6
Inverterat norrsken registrerat av ALIS Rött norrsken Bild: Åke Steen, Urban Brändström, Björn Gustafsson/ALIS Foto: Masatoshi Yamauchi April 6, 2000 Sydsken från Rymdskytteln Endeavor Solbelyst Violett Grönt Rött Foto: Yusuke Ebihara Bild:NASA 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 Strålningsbältena Diffust norrsken En laddad partikel i ett magnetfält rör sig i en spiralbana dv m = q + dt ( v B) qe Diskret norrsken Auroral potential structure Discrete aurora Fronten på snabbt rörlig norrskensform Norrskensfärger Gröna linjen Röda Dominerar nederkanter vanligen Stort rött norrsken Norrsken Solljus Marklund et al. and ESA Produktion Kväve: N 2 + + 2 + 2 2 + N + e N ( B Σu ) 2e Emission + 2 + + 2 N2 ( B Σu ) N2 ( X Πu ) + hν (1NG) 391.4 nm, 427.8 nm Övergång nästan omedelbart Emissionsprofiler, 0.5 och 5 kev 391.4 nm och 427.8 nm 557.7 nm 630.0 nm 650-680 nm 8
630.0 nm Syre O, Förbjudna övergångar ev 4.17 τ = 0.7 s 1.96 τ = 110 s 0 557.7 nm 297.2 nm 636.4 nm 1 S 1 D 3 P Syre: Produktion av gröna linjen 557.7 nm, O( 1 S) Excitation av primärelektron O + e O( 1 S) + e Excitation av termisk elektron + 1 3 1 O2 + eth O( S) + O( P, D) Kollision med kvävemolekyl 3 1 N ( A Σ u + ) + O O( S + N 2 ) 2 Produktion av O( 1 S) Quenching - utsläckning Varför kan en och samma norrskensform vara röd upptill och grön nertill? 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 9
Varför ser norrskenets höjdprofiler ut som de gör? Chapmanfunktion Hörs norrsken? Dämpning 100 km 300 m/s Hörs Norrsken? Undersökning 1885 i Norge Tromholt, 144 svar 65 % tror att det hörs 25 % hört 10 % vet inte => 6 min Viner och sprakar Förklaring saknas Low level jet? Storskalig morfologi - Avbildning från rymden 1. MSP, DDA, SPF 2. South IMF cusp 3. North IMF cusp 4. 1500 MLT spot 5. Afternoon detached arc 6. HiLDA 7. SAMPS 8. ECP 9. Polar cap arc 10. Auroral streamer Mytologi och folklore 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 somspelarfotboll 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 Magnetosfärens generator Solvindens dynamiska tryck ρ v m 2 = B 2 Trycket hos jordens magnetiska fält / 2μ 0 För dipolfält: 1/ 3 0a 2 μ r 4π μ B = 2π r 2 ( μ ρ v ) 0 m 0a 1 3 1/ 6 8-12 R E Ledare (solvinden) rör sig i ett magnetfält (jordens magnetfält) 100 kv Elektriska strömmar i magnetosfären 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 Φ a Det magnetiska flödet inneslutet av en driftbana Stormar, substormar och rymdväder Solvariationer Solvindsvariationer Variationer i magnetosfären Effekter Solenergi EM strålning 10 17 W till Jorden SW Kinetisk K=ρ 0 V 3 l 2 0 10 12 5 x10 13 W SW Poynting Ε=VB 2 sin 4 (Θ/2)l 2 0 0 5x10 12 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 http://solar.sec.noaa.gov/solarcycle/index.html Joe Allen, NOAA 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 Reconnection Nuvarande paradigm för sol-jordväxelverkan Kompression Vindstrumpa Uppladdning - Urladdning Eastwood, 2008 Simulering av substorm 29 oktober 2003 23.00 LT NASA Den horisontella strömmen i en norrskensbåge kan uppgå till 10 6 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 Aurora Equatorialis över Mars Heliosfären ASPERA-3 data MEX orbit Upgoing accelerated ions Downgoing acceller. electrons 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