Norrsken!

Den här julen, som jag har tillbringat i Kiruna, hade jag bestämt mig för att bevaka himlen väldigt noga. Jag hade nämligen aldrig sett norrsken och tyckte att det började vara på tiden. Trots att jag har varit i Kiruna flera gånger tidigare har jag aldrig lyckats med att få se norrsken - det har alltid varit en massa moln i närheten. Tittar man på statistiken ska det i princip vara 50% chans att få se norrsken i Kiruna utan att det är moln ivägen. (Och runt jultid är det dessutom mörkt lång tid av dygnet eftersom solen inte ens går över horisonten, mycket praktiskt för norrskensobservation eftersom norrskenet är mycket svagare än solljus).

Hur som helst envisades det med att vara molnigt en hel vecka, ända tills annandagens kväll då det bara var halvtäckande moln och det faktiskt kom några ljusstråk på himlen. Tyvärr inte så spektakulära, så jag tänkte trösta mig med att skriva lite om norrsken istället. Det är ju iallafall mycket roligare att skriva om norrsken om man sett det själv. Och det är roligare - tycker jag iallafall - att titta på norrsken om man vet vad man ser. Norrsken är vacker fysik!

Var finns norrsken?
Norrsken kan lika gärna kallas för polarsken - det finns nämligen också sydsken som uppkommer på precis samma sätt. Det hade man dock sannolikt inte en aning om när man namngav norrskenet. Det traditionella vetenskapliga namnet, "Aurora Borealis" (norr-gryning), fick det för att norrsken längre söderut oftast syns som ett rött sken vid horisonten - som en gryning fast i norr.

Norrsken uppkommer runt jordens magnetiska poler (som ligger nära, men inte på, de geometriska polerna - bild här) och uppträder som ljusbågar på himlen. Färgen är oftast grönaktig, ibland röd. Hur ofta norrsken uppträder beror på avståndet till de magnetiska polerna - i Stockholm är det sällsynt men i nordligare trakter som Kiruna och Fairbanks (Alaska) är det vanligt.

Hur uppstår norrsken?
Norrsken uppkommer när snabba laddade partiklar krockar med atomer och molekyler i jordens atmosfär. Vid krockarna uppstår ljus som syns som norrsken. För att förstå hur norrsken uppkommer behöver man veta lite om jorden, laddningar och atomens uppbyggnad.

Jordens atmosfär består av flera olika lager (som namnges på olika sätt beroende på vad man diskuterar). Den yttre delen av jordens atmosfär, jonosfären, innehåller laddade partiklar (joner) och börjar ca 80 km över jordens yta. Partiklarna ger norrsken när de rör sig från jonosfären mot jorden, styrda av jordens magnetfält.

Jordens magnetfältsform påverkas av solvinden, en ström av fria elektroner och positivt laddade joner från solen. Nära jorden ser fältet ut som ett dipolfält (som fältet från en vanlig stavmagnet), men längre bort från jorden är fältet utdraget. Sammantaget får solvinden jordens magnetfält att forma en avlång "bubbla", som tvingar solvinden att vika av och strömma förbi jorden istället för att träffa den rakt på. På så sätt skyddar jordens magnetfält oss från en stor del av partiklarna från solen. Solvinden och dess rörelse gör att formen på jordens magnetfält varierar över tiden och är förhållandevis komplex: en snygg animation finns här. Det område runt jorden som påverkas av jordens magnetfält brukar kallas magnetosfären.

Partiklarna som skapar norrsken följer magnetfältlinjerna till jordens magnetiska poler och krockar, när de kommer in i atmosfären, med de atomer som finns där. Vid krockarna överförs energi från partiklarna till atomerna. Atomerna hamnar då i ett instabilt tillstånd och behöver göra sig av med "överskottsenergin" som de avger i form av ljus. Partiklarna fortsätter att krocka med nya atomer tills de har saktat in totalt, vid ca 100 km från jordens yta. Området där norrsken uppstår formar en oval kring den magnetiska polen. Vid starka fluktuationer i magnetfältet kan också ovalerna växa, och då kan man se norrsken ovanligt långt söderut (animation här).

Norrskenets färger och former
Färgen på norrskenet bestäms av vilka atomer de högenergetiska partiklarna krockar med. Oftast är det syre och kväve (i form av syreatomer och kvävemolekyler). När atomer exciteras (går till ett högre, instabilt energitillstånd) kommer de sedan sända ut ljus av vissa bestämda färger när de går tillbaka - främst grönt och rött för syre, och blått violett och rött för kväve. Vilket ljus som sänds ut beror på vilket energitillstånd atomen går tillbaka från. Långt ner i "norrskensområdet" i atmosfären dominerar kväve, högre upp dominerar syre. Färgen på det norrsken man ser för tillfället beror alltså både på höjden det befinner sig på i atmosfären (hur mycket syre det är relativt kväve) och energin på partiklarna som tränger ned just dit.

Norrskenet brukar bilda bågar som rör sig över himlavalvet. Raka bågar kan vecka ihop sig till spiraler eller utvecklas till "draperier" av strålar som visar riktningen på jordens magnetfält. Står man rakt under ett norrsken i magnetfältets riktning ser det ut som som strålarna pekar åt alla håll. Denna form kallas korona. Norrsken ändrar över huud taget form och intensitet väldigt snabbt. De mest spektakulära norrskenen brukar uppstå i samband med magnetiska substormar och då kan hela himlen fyllas av färgsprakande sken.

Bilder
Norrskenet gör sig naturligtvis rätt bra på bild, även om det blir suddiga bilder när skenet rör sig snabbt och är svagt (vilket gör att det krävs lång exponeringstid). Det finns gott om bilder tillgängliga på nätet, till exempel:

• Michigan Tech's arkiv med bilder från Keweenaw Peninsula (1994, foto MT Dolan)
  
• Bilder från Fairbanks, Alaska (1996-98, foto J Curtis)
  
• Bilder från Kiruna (2000, foto M Yamauchi)
  
• 1700 norrskensbilder som slideshow (av Norska Nordlyssenteret)
  
• Norrskensbilder från Alaska (2001-2005, foto Ulrike Haug)
  

Eller så kan man titta på natthimlen i Kiruna eller Abisko i "direktsändning" (via IRF, uppdateras varje minut).

Det finns också en bra populärvetenskaplig bok på svenska "NORRSKEN - budbärare från rymden" av Ingrid Sandahl, som beskriver norrsken och nutida norrskensforskning. Den gavs ut 1998. (Jag känner Ingrid, men boken är bra oavsett det :) Vill ni ha en andra åsikt kan ni läsa UFO-Revyns recension från 1998 )

Länkar
Institutet för Rymdfysiks populärvetenskapliga sidor (IRF, i Kiruna)
Nordlys (informationssidor från norska Nordlyssenteret, på engelska)
Engelska Wikipedia om norrsken
Information om fysiken bakom norrsken, med animationer! (University Corporation for Atmospheric Research, USA)