Poollicht ontstaat door botsende elektronen in de atmosfeer.

Het poollicht ontstaat door botsende elektronen in de atmosfeer. Hun snelheid moet dan wel hoog zijn. Daarvoor surfen ze op elektromagnetische golven.

NRC, 11 nuni 2021. Dorine Schenk.

Tijdens winterse poolnachten kan het poollicht opvlammen aan de hemel. Het dansende licht lijkt mysterieus, maar er is een goede theoretische verklaring voor. Het laatste puzzelstukje van die theorie is nu bewezen. Amerikaanse onderzoekers hebben experimenteel aangetoond hoe elektronen deze atmosferische lichtshow kunnen veroorzaken. De resultaten verschenen maandag in Nature Communications. Een zeer technisch artikel.

Wetenschappers weten al lange tijd dat het poollicht verband houdt met de continue zonnewind en regelmatige zonne-uitbarstingen, waarbij de zon geladen deeltjes – zoals elektronen – de ruimte in slingert. Het magnetisch veld dat de aardbol omringt, beschermt ons hiertegen door het grootste gedeelte van de deeltjes af te buigen. Een klein deel van de geladen deeltjes volgt echter de magneetveldlijnen van de aarde en dringt boven de polen de atmosfeer binnen.

Het is ook bekend dat hier elektronen bij zitten die met een snelheid van ongeveer 20.000 kilometer per uur de bovenste lagen van de atmosfeer in suizen en daar botsen met stikstof- en zuurstofmoleculen. Door die knal krijgen de stikstof en zuurstof extra energie die ze uitzenden in de vorm van gekleurd licht. De botsingen op 100 tot 200 kilometer hoogte in de atmosfeer veroorzaken vooral groen licht, die boven de 200 kilometer kleuren rood. Zo ontstaan de prachtige tinten poollicht.

Wat wetenschappers lang niet volledig begrepen, is hoe elektronen uit de ruimte versneld worden tot de hoge snelheid waarmee ze op moleculen in de atmosfeer botsen. Alleen elektronen met een voldoende hoge snelheid kunnen er namelijk voor zorgen dat de moleculen poollicht uitzenden. „In de jaren zeventig ontstond het idee dat de elektronen een zetje krijgen van zogeheten Alfvéngolven”, mailt natuurkundige Jim Schroeder van de Amerikaanse universiteit Wheaton College. Dit zijn elektromagnetische golven die ontstaan als het aardmagnetisch veld verstoord wordt.

Elektromagnetische golven surfen langs de magnetische veldlijnen van de aarde naar de polen.

„Er vinden regelmatig krachtige uitbarstingen [HK: de zogenaamde coronal mass ejections] plaats op het oppervlak van de zon”, vervolgt Schroeder. „De deeltjesstroom die daarbij richting de aarde geslingerd wordt, kan het aardmagnetisch veld flink verstoren en de magnetische veldlijnen uitrekken.” Die verstoorde magnetische veldlijnen schieten na een tijdje weer terug naar hun oude plek, als een opgerekt elastiekje dat plots wordt losgelaten. Hierdoor ontstaan er elektromagnetische golven die langs de magneetveldlijnen naar de polen bewegen – als golven die door een touw bewegen als je een uiteinde heen en weer zwiept. Dit zijn de Alfvéngolven.

Volgens het theoretische idee uit de jaren zeventig zouden elektronen uit de ruimte mee kunnen surfen op deze Alfvéngolven. Als een surfer op zee, worden de elektronen dan meegenomen en versneld door de golven. Door dit zetje krijgen ze de hoge snelheid waarmee ze zuurstof en stikstof licht laten uitzenden als ze ermee botsen.

Deze theorie wordt ondersteund door metingen van onderzoeksraketten en ruimtesondes die boven het poollicht Alfvéngolven waarnamen. Het enige puzzelstukje dat nog ontbrak om de theorie te bewijzen, was aantonen dat deze Alfvéngolven in staat zijn om elektronen te versnellen. Dit is wat de Amerikaanse onderzoekers nu gedaan hebben. Ze gebruikten hiervoor een twintig meter lang apparaat – het Large Plasma Device (LAPD) – waarin ze Alfvéngolven opwekten en keken hoe aanwezige elektronen daarop reageerden. Schroeder: „Ons experiment toonde aan dat elektronen inderdaad kunnen worden versneld tot poollichtsnelheden door op Alfvéngolven te surfen.”

Henk Kieft

Add comment