Norðurljós - fróðleiksbrot

eftir Þorstein Sæmundsson

    Nafnið norðurljós er að öllum líkindum upprunnið á Íslandi eða í byggðum Íslendinga á Grænlandi. Í Konungsskuggsjá, sem rituð var í Noregi um 1250, er rætt um undur í fjarlægum löndum, þar á meðal "það, er Grænlendingar kalla norðurljós". Aðrar þjóðir hafa tekið upp hliðstætt heiti (nordlys, norrsken, northern lights, Nordlicht). Fræðiheitið, aurora borealis, er blanda úr latínu og grísku, sem merkir "árbjarmi norðursins". Áróra var gyðja dagrenningar hjá Rómverjum, en Boreas var grískur guð, persónugervingur norðanvindsins. Heitið aurora borealis kemur fyrir í bók franska stjörnufræðingsins Pierre Gassendi í bók sem út kom árið 1649 (ekki 1621 eins og oft er sagt), og er honum stundum eignuð nafngiftin. Hinn frægi ítalski vísindamaður Galíleó Galilei hafði þó notað svipað heiti (boreale aurora) þegar árið 1619 og síðan breytt því í aurora borealis í bókinni Il Saggiatore árið1623. Bendir margt til þess að Gassendi hafi lesið það rit. Heilagur Gregorius frá Tours mun hafa notað latnesku orðin aurora og septemtrionali þegar hann lýsti norðurljósum árið 585, en seinna orðið merkir "í norðri" og vísar til stjarnanna sjö í Karlsvagninum.

    Norðurljósin eiga sér samsvörun á suðurhveli og hafa ljósin þar verið nefnd suðurljós. Fræðiheitið er aurora australis, en það heiti mun í fyrstu hafa verið notað um norðurljós sem sáust á suðurhimni.  Í íslensku máli hefur orðið segulljós verið notað um ljósin í heild. Það orð mun fyrst hafa verið notað af skáldinu Benedikt Gröndal  (í ljóðinu Næturgala sem út kom árið 1860).

   Sá sem fyrstur lýsti sambandi milli norðurljósa og segulsviðs jarðar var enski stjörnufræðingurinn Edmond Halley. Tilefnið voru ægifögur norðurljós sem sáust víða um Evrópu árið 1716 og vöktu áhuga vísindamanna á fyrirbærinu. Halley tók eftir því að geislar í norðurljósum fylgdu stefnu segulsviðsins. Hann hélt hins vegar að norðurljósin væru einhvers konar útstreymi frá jörðu.  Fyrstur til að semja fræðilega ritgerð um norðurljósin var franski fjölfræðingurinn De Mairan (1731). Í ritgerðinni tengdi hann norðurljósin við sólina, þó ekki sólvirkni heldur öllu fremur efni sem félli til jarðar úr "lofthvolfi" sólar. Árið 1741 tóku sænsku stjörnufræðingarnir Anders Celsius og Olof Hiorter eftir því að miklum norðurljósum fylgdu truflanir í segulsviði jarðar. Menn kunnu engar skýringar á þessu fyrr en danski eðlisfræðingurinn H.C. Ørsted fann sambandið milli rafstrauma og segulsviðs og setti fram þá tilgátu árið 1826 að rafstraumar færu eftir norðurljósabogunum og hefðu áhrif á segulsvið jarðar. Fyrstur til að frásagnar af  hliðstæðum ljósum á suðurhveli jarðar (suðurljósum, aurora australis) var landkönnuðurinn James Cook (1773). 

   Norðurljósabeltið var uppgötvað af þýska landfræðingnum Georg Wilhelm Muncke (1837), en bandaríski stærðfræðingurinn Elias Loomis uppgötvaði það aftur sjálfstætt árið 1860 eftir umfangsmiklar rannsóknir á norðurljósum í kjölfar sólblossans mikla 1859 sem ensku stjörnuáhugamennirnir Richard Carrington og Richard Hodgson urðu vitni að (sjá síðar). Nú er vitað að norðurljósabeltið gefur einungis meðaltalsmynd af tíðni norðurljósa, en á hverju augnabliki mynda ljósin svonefndan norðurljósasveig eða kraga (sjá síðar).

Punktalínan á kortinu hér að ofan sýnir miðlínu norðurljósabeltisins samkvæmt athugunum á jarðeðlisfræðiárinu 1957-58. Heimild: International Auroral Atlas, sjá neðst.

    Danski veðurfræðingurinn Sophus Tromholt náði fyrstu myndum af norðurljósunum (1885), en þær myndir voru afar lélegar því að ljósmyndaplöturnar voru ekki nægilega næmar og lýsingartíminn þurfti að vera mjög langur (8 mínútur). Nokkrum árum síðar (1892) náði þýski eðlisfræðingurinn Martin Brendel góðum myndum með 7 sekúndna lýsingartíma (1892). Þær myndir voru teknar í Bossekop, nyrst í Noregi.

    Tromholt rannsakaði tíðni norðurljósa í Skandinavíu á tímabilinu frá 1780 til 1880 og sýndi fram á náið samband við fjölda sólbletta. Að tengsl væru milli norðurljósa og sólbletta hafði verið þekkt allt frá árinu 1852 þegar svissneski stjörnufræðingurinn Rudolf Wolf uppgötvaði það. Norski eðlisfræðingurinn Kristian  Birkeland varð fyrstur til að setja fram fræðilega kenningu um það hvernig norðurljós gætu myndast vegna rafagnastrauma frá sól (1896). Hann sýndi fram á það með tilraunum árið 1903 hvernig rafeindir sem beint var að segulmagnaðri kúlu í lofttæmi hreyfðust eftir segulsviðslínum að skautum kúlunnar. Birkeland taldi að rafagnir frá sólinni myndu vera bæði neikvætt hlaðnar og jákvætt (1916). Norski stærðfræðingurinn Carl Störmer gerði ítarlega útreikninga á því hvaða brautum rafeindir gætu fylgt í segulsviði jarðar. Þótt hugmyndir Birkelands og Störmers virtust skýra ýmis einkenni norðurljósanna varð síðar ljóst að ferlið er miklum mun flóknara en þessir frumkvöðlar töldu. Eitt af því sem útreikningar Störmers sýndu var að rafagnir gætu ánetjast segulsviði jarðar og sveiflast í sífellu milli heimskauta. Þetta sannaðist þegar bandaríski eðlisfræðingurinn James Van Allen uppgötvaði geislabelti þau sem við hann eru kennd (1958). Í ytra beltinu eru orkumiklar rafeindir, og í fyrstu var talið að þessar rafeindir mynduðu norðurljósin, en síðari athuganir hafa sýnt að tengslin eru óbein.

   Fyrstur manna til að meta hæð norðurljósa með samanburði athugana frá fleiri en einum stað var að líkindum Frakkinn Gassendi sem fyrr er nefndur. Var það árið 1621. Niðurstaðan var 850 km sem er glögglega ofmat. Á 18. öld voru allmargar tilraunir gerðar til að mæla hæð ljósanna, en í flestum tilvikum virðist hún hafa verið ofmetin. Úr mælingum sem De Mairan framkvæmdi á árunum1726 til 1730 fengust niðurstöður frá 400 til 1300 km. Síðari mælingar Mairans og fleiri gáfu lægri tölur, 200-1000 km. Lengi vel töldu menn hugsanlegt að norðurljós gætu náð alla leið til jarðar. Sú skoðun virðist hafa verið nokkuð útbreidd langt fram eftir 19. öld. Árið 1859 birti Loomis niðurstöður hæðarmælinga á norðurljósum eftir sólblossann mikla það ár. Þær tölur náðu frá 80 km upp í 800 km. Athuganir Tromholts á fyrsta heimskautaárinu (International Polar Year) 1882-1883 gáfu meðalhæðina 113 km, sem er býsna góð niðurstaða þegar tekið er tillit til þess að eingöngu var stuðst við samanburð sjónathugana frá mismunandi stöðum. Eftir að ljósmyndatæknin kom til sögunnar var unnt að gera málinu betri skil. Fyrstur til að gera hæðarmælingar með ljósmyndun var Störmer (1910). Á næstu áratugum framkvæmdi hann og aðstoðarmenn hans þúsundir hæðarmælinga í Noregi. Ýmsir fleiri unnu að slíkum mælingum í Noregi, Svíþjóð, á Svalbarða, í Kanada og á Nýja Sjálandi. Neðri brún ljósanna reyndist yfirleitt í 100-110 km hæð. Þau mælast mjög sjaldan yfir 500 km hæð. Allra hæstu geislar ná yfir 1000 km hæð, en aðeins þar sem sól nær að skína á háloftin.  Norðurljós neðan við 80 km hæð eru afar sjaldgæf, en dæmi eru um að óvenjuleg, dökkrauð ljós hafi mælst niður í 60 km hæð. Geislar í norðurljósum eru gjarna yfir 100 km á lengd.

   Norðurljós í 100 km hæð yfir Langanesi myndu sjást í um það bil 12° hæð yfir sjóndeildarhring í Reykjavík. Í 1000 km fjarlægð yrðu norðurljós í þessari hæð aðeins 1° yfir sjónbaug, en í 200 km hæð væru þau 7° yfir sjónbaug. Þau gætu hugsanlega sést svo langt í burtu, en vegna fjarlægðar yrðu þau mjög dauf á að líta.

   Það er algengur misskilningur að norðurljósasveigurinn eða kraginn sé áberandi ávalur í lögun. Hið rétta er að hann er mjög nálægt hringlögun, en miðja hringsins er ekki jarðsegulskautið heldur víkur hún lítið eitt frá skautinu, í áttina frá sól.  Þegar segulsvið jarðar er rólegt er fjarlægð kragans frá miðju um 2000 km og breidd hans um 500 km.  Í óróleika breikkar kraginn, mest í áttina að miðbaug. Jafnframt eykst bilið milli miðju kragans og jarðsegulskautsins.

    Bogar og bönd norðurljósa liggja yfirleitt hornrétt á stefnu áttavitans á hverjum stað. Þó eru dæmi um annað. Sérstakt fyrirbæri eru svonefndir pólhettubogar sem liggja þvert yfir pólhettuna. Þessir bogar eru yfirleitt daufari en venjulegir norðurljósabogar, en afar stöðugir.
 

Myndirnar hér að ofan voru teknar úr gervitunglinu Dynamics Explorer 1 og sýna ljósasveiga við norðurskaut (t.v.) og suðurskaut (t.h.). Myndirnar eru teknar í útfjólubláu ljósi og litir eru ekki hinir réttu. Útlínur landa hafa verið teiknaðar inn. Á myndinni til vinstri má sjá að sveigurinn liggur yfir Ísland. Á myndinni til hægri sést pólhettubogi yfir Suðurskautslandinu. Myndirnar eru fengnar úr bókinni Auroral Physics, sjá neðst.


   Jarðsegulskautin eru um 10° frá heimskautum jarðar. Nyrðra skautið er við 79,7° N, 71,8° V, á Ellesmere-eyju við norðvesturhorn Grænlands, um 300 km norðan við Thule. Reykjavík er á 69° segulbreiddar, en leiðrétt segulbreidd Reykjavíkur (þegar tekið er tillit til fráviks segulsviðs jarðar frá einföldu tvípóla segulsviði) er nær 65°. Segulsviðslína frá Reykjavík út í geiminn nær lengst 5,5 jarðgeisla frá jörðu (um 35000 km). Frá öðrum stöðum á Íslandi nær sviðið frá 5,1 til 6,8 jarðgeisla út í geim. Lengst nær sviðið frá Vestfjörðum.

    Í norðurljósabeltinu sjást norðurljós svo til á hverri einustu nóttu. Eftir því sem fjær dregur frá beltinu, bæði til norðurs og suðurs, verða þau sjaldgæfari. Í Róm geta menn búist við að sjá norðurljós svo sem tvisvar á öld. Norðurljós sáust frá Singapore (1°N) í miklum segulstormi 25. sept. 1909. Singapore er um 11000 km frá nyrðra segulpólnum en 9000 km frá hinum syðri, svo að þetta hafa líklega verið suðurljós fremur en norðurljós. Í stormi 1921 sáust norðurljós frá Samóaeyjum á Kyrrahafi (15°S). Hinn 8. febrúar 1986, nálægt sólblettalágmarki, sáust norðurljós á Hawaii (20° N). Voru það mestu norðurljós þess sólblettaskeiðs sem þá var að ljúka.

    Sænski eðlisfræðingurinn Anders Ångström greindi litróf norðurljósa árið 1868 og sýndi fram á að ljósið er ekki endurvarpað sólarljós. Kanadíska eðlisfræðingnum John McLennan tókst svo að skýra myndun græna litsins í norðurljósunum árið 1927.  Norðurljósin myndast þegar hraðfara rafagnir, venjulega rafeindir, rekast á frumeindir og sameindir gufuhvolfsins. Aðalefni gufuhvolfsins eru nitur og súrefni, en hlutföll þessara efna breytast með hæð yfir jörðu og einnig ástand efnanna. Orka rafeindanna ræður líka miklu um það í hvaða lit loftið fer að skína. Aðallitur norðurljósanna er grænn, en rauðir litir eru líka algengir. Fleiri litir hafa greinst, þar á meðal blár og fjólublár. Algengustu litirnir myndast sem hér segir:

   Græni liturinn (bylgjulengd 558 nm) stafar frá súrefnisfrumeindum (O). Þessi litur myndast í 90-200 km hæð.
   Dumbrauður litur (bylgjulengdir 630 og 636 nm) stafar frá súrefnisfrumeindum sem örvast hafa af mjög orkumiklum rafeindum. Þessi litur sést aðallega efst í norðurljósunum,  í meira en 200 km hæð. Alrauð norðurljós eru af þessum toga.
   Skarlatsrauður litur  stafar frá nitursameindum (N2). Hann sést neðst í bogum og böndum. Þessi litur myndast neðan við 90 km hæð og er margþættur (margar bylgjulengdir). Þar eru að verki mjög orkumiklar rafeindir.

    Norðurljós geta orðið svo björt að unnt sé að lesa við þau a.m.k. sæmilega stórt letur. Dauf norðurljós sýnast ævinlega hvít vegna þess að mannsaugað getur ekki greint lit ef ljósið er mjög dauft. Björtustu norðurljós geta líka virst hvít þótt það sé sjaldgæft, en til þess þarf sérstæða blöndu ólíkra lita.
 

Norðurljós hafa þau verið flokkuð eftir útliti. Fyrsta flokkun af þessu tagi var framkvæmd í aðdraganda heimskautaársins 1932-33 af alþjóðlegri nefnd undir formennsku Carls Störmers. Nýrri og ítarlegri útfærsla tók gildi árið 1964 í upphafi svonefnds sólkyrrðarárs. Að þeirri útfærslu stóð nefnd þar sem Skotinn James Paton var formaður. Norðurljósum var þar skipt í fimm tegundir, boga, bönd, bletti, slæður og geisla, en hverri tegund síðan lýst nánar eftir afbrigði, hætti, gerð, birtu og lit. Nánari skýringar er að finna í handbók um norðurljósaathuganir sem út kom á vegum Eðlisfræðistofnunar Háskólans árið 1964. Bókin í heild er hér.
 
    Árið 1840 uppgötvaði austurríski veðurfræðingurinn og stjörnufræðingurinn Karl Kreil að truflanir í segulsviði jarðar sýndu tilhneigingu til endurtekningar á um það bil mánaðar fresti. Kreil taldi þetta tengjast umferðartíma tunglsins um jörðina. Skoskur starfsbróðir hans, John Allen Broun komst að sömu niðurstöðu árið 1846. Broun skipti hins vegar um skoðun og taldi að það væri snúningur sólar um möndul sinn sem endurspeglaðist í truflunum á segulsviðinu (1858). Nokkrum árum áður (1852) hafði ensk-írski stjörnufræðingurinn Edward Sabine uppgötvað sambandið milli fjölda sólbletta og segulsviðstruflana. Hinn geysimikli sólblossi sem ensku stjörnuáhugamennirnir Carrington og Hodgson urðu vitni að árið 1859 og segultruflanirnar sem fylgdu í kjölfarið sannfærðu marga um að orsakanna væri að leita á sólinni. Frekari athuganir styrktu þessa skoðun. Bandaríski stjörnufræðingurinn Charles Young kom með þá tilgátu (1884) að hinn óþekkti kraftur sem hrifi efni halastjarna og þrýsti því í átt frá sólinni væri sömu ættar og sá sem truflaði segulsvið jarðar og myndaði norðurljósin. Athuganir á halastjörnum munu smám saman hafa ýtt undir þá skoðun að útstreymi agna frá sólinni væri ekki takmarkað við einstök umbrot á sólu heldur væri um samfellt streymi að ræða, mismikið að vísu, það sem nú er kallað sólvindur. Breski stjarneðlisfræðingurinn Arthur Eddington rannsakaði halastjörnuna Moorhouse sem fannst árið 1908 og kom með þá tilgátu að lögun halans mótaðist af stöðugu útstreymi rafhlaðinna agna frá sólu. Þessi hugmynd féll í gleymsku en var endurvakin árið 1951 af þýska stjörnufræðingnum Ludwig Biermann. Rannsóknir Biermanns á halastjörnum leiddu hann til þeirrar niðurstöðu að þar væru á ferð rafagnir með hraða frá 500 til 1500 km á sekúndu. Þetta þótti með ólíkindum og langur tími leið þar til niðurstöður Biermanns voru almennt viðurkenndar. Viðtekna skoðunin var sú að halastjörnur væru undir áhrifum sólarljóssins (hita og ljósþrýstings), en nú er vitað að hvort tveggja er að verki, ljósið og sólvindurinn. Bandaríski stjarneðlisfræðingurinn Eugene Parker setti fram fræðilega skýringu á niðurstöðum Biermanns í grein sem hann ritaði árið 1958. Þar sýndi hann fram á að flæði rafagna frá kórónu sólar lyti straumfræðilegum lögmálum og að hraðinn væri lítíll í fyrstu en jykist eftir því sem lengra drægi frá sól. Þetta hefur verið staðfest með mælingum, en ýmis atriði flæðisins eru enn á huldu. Heitið sólvindur hefur verið eignað Parker, en það kemur þó ekki fyrir í hinni þekktu grein hans frá 1958.

    Athuganir úr geimflaugum hafa leitt í ljós að sólvindurinn er í grunninn tvenns konar, hraðfara vindur, um 750 km/sek, og hægfara vindur, um 400 km/sek, hvort tveggja mælt í fjarlægð jarðar frá sólu. Við þetta bætast svo hviður vegna umbrota á sól. Hraðvindurinn leitar frá sól þar sem segulsviðið er reglulegt og rafagnirnar geta fylgt kraftlínum langt út í geim. Hægvindurinn kemur frá þeim svæðum sólar þar sem segulsvið eru óregluleg, og rafagnirnar þurfa að brjóta sér leið út og teygja segulsviðið með sér. Hraðvindurinn er býsna stöðugur, en hægvindurinn breytilegur, bæði hvað snertir hraða og fjölda agna. Í hverjum rúmsentimetra sólvinds nærri jörð eru um 10 rafagnir að meðaltali (aðallega róteindir og jafnmargar rafeindir). Orkan í vindinum er um það bil 10-4 W/m2, eða 10% af orku útfjólublás ljóss frá sólu. Vegna snúnings sólar um möndul sinn fylgja rafagnastraumarnir gormlaga leið út frá sól, líkt og vatn frá garðslöngu sem snýst. Þegar straumarnir mæta jörð virðast þeir ekki koma úr sólarátt heldur úr stefnu vestan við sól. Frávikið nemur um 45° fyrir hægfara strauma en 30° fyrir hraðfara strauma. Það eru hinir síðarnefndu sem valda raðbundnum segulstormum og norðurljósum á mánaðarfresti. Upprunasvæði þessara strauma á sól voru lengi mikil ráðgáta. Þýski jarðeðlisfræðingurinn Julius Bartels gaf þessum óþekktu svæðum nafnið M-svæði (með hliðsjón af þýska orðinu "magnetisch") árið 1934. Það var ekki fyrr en geimstöðinni Skylab var skotið á loft, árið 1973, að gátan var leyst. Í Skylab var sjónauki sem gerði kleift að mynda sólina í röntgengeislum sem koma frá sólkórónunni. Á myndunum sáust dimm svæði sem fengu nafnið kórónugeilar og reyndust samsvara M-svæðunum. Mælingar úr geimflaugum hafa staðfest að hraðfara sólvindur streymir frá þessum geilum.

 

Þessi mynd er tekin úr gervitunglinu Solar Dynamics Observatory, í fjarútfjólubláu ljósi.

   Kórónugeilar eru oftast áberandi við pólsvæði sólar en sjást einnig nær miðbaug. Rafagnastraumarnir leita gjarnan að miðbaugsfleti sólar (strangt tekið segulmiðbaug) og geta þannig náð til jarðar þótt uppruninn sé fjarri miðbaug. Hverjum gormlaga straum fylgir segulsvið sem er afar veikt, en stefna þess miðað við segulsvið jarðar ræður engu að síður miklu um það hver áhrif rafagnanna verða. Stefnan er breytileg, m.a. vegna þess að afstaða jarðar til segulmiðbaugs sólar breytist með snúningi sólar og hreyfingu jarðar um sól.. Tíminn sem það tekur rafagnirnar að berast frá sól til jarðar er  2-4 dagar, en það svarar til meðalhraðans 600 km/s. Rafagnaský (kórónuskvettur) sem þeytast út í geiminn við umbrot í sólkórónunni (kórónusgos) fara oft mun hraðar en þetta og geta náð til jarðar innan tveggja sólarhringa. Metið er 17 stundir sem svarar til hraðans 2500 km/s. Kórónuskvettur geta tengst sólblossum, en stundum sólstrókum sem sjást lyftast upp og hverfa. Stundum tengist gosið hvorugu þessara fyrirbæra, en virðist koma úr kórónugeil. Ekki er vitað hvort það segulsvið sem fylgir skvettunum er tengt við sól líkt og það svið sem fylgir samfelldum straumum.


 
Myndin hér að ofan sýnir sólstrók þar sem efni þeytist frá sól. Myndin er tekin úr gervitunglinu SOHO (Solar and Heliospheric Observatory í útfjólubláu ljósi og er fengin af þessari vefsíðu.

   Kórónugos eru býsna algeng, sérstaklega nálægt sólblettahámarki. Þá verða þau daglega að heita má, en hafa sjaldnast áhrif á jörðina. Þau sáust fyrst úr Skylab. Þau tengjast oft sólblossum eins og fyrr er sagt. Blossanna gætir jafnframt í lithvolfi sólar, þar sem auðveldara er að fylgjast með atburðarás. Stöku sinnum ná áhrifin niður á yfirborð sólar (ljóshvolfið) að því marki að þau sjást í venjulegu ljósi. Það sem gerist í sólblossa og kórónugosi er eins konar skammhlaup í flóknu, ofursterku segulsviði. Orkan sem leysist úr læðingi getur samsvarað milljarði af 1-megatonna vetnissprengjum.
Þessi síendurtekna hreyfimynd sýnir kórónugos séð frá gervitunglinu SOHO (Solar and Heliospheric Observatory). Myndskeiðið nær yfir tímann frá kl. 16:45 til kl. 20:03, þ.e. rúmar þrjár klukkustundir, og sýnir því gosið mörg þúsund sinnum hraðar en eðlilegt er. Hringlaga skífa (kringla) er notuð til að skyggja á sólina til að forða myndavélinni frá ofbirtu, en í miðju skífunnar er hvítur hringur sem samsvarar stærð sólar.

   Þegar rafagnir frá sólu (hvort heldur það eru skvettur eða samfelldir straumar) nálgast jörðu, mæta þær segulsviði jarðar sem veitir þeim mótstöðu. Höggbylgja myndast í um 10 jarðgeisla fjarlægð sólarmegin við jörð og setur jarðsegulsviðinu þar ytri mörk, svonefnd segulhvörf. Þar þrýstist segulsviðið nær jörðu, en handan við jörðina, næturmegin, dregst sviðið út í hala sem er um 50 jarðgeislar á þykkt og nær margar milljónir kílómetra út í geiminn, langt út fyrir braut tunglsins. Halinn skiptist í tvær tungur, þá nyrðri og syðri. Um tungurnar liggja hringstraumar sem mætast í miðfleti. Rafagnir frá sólinni komast næst jörðu nálægt segulskautunum, í svonefndum pólkleifum. Þaðan fara þær út í segulhalann þar sem þær safnast í miðflötinn. Í halanum fá þær þá hröðun sem þarf til að mynda norðurljósin. Dæmigerður hraði rafeinda í norðurljósum er 50 000 km á sekúndu sem er hundraðfaldur sá hraði sem rafeindirnar höfðu á leið frá sólu. Erfitt hefur reynst að ákvarða hvar hröðunin á sér stað, en talið er að það gerist þegar andstæðar segulkraftlínur í nyrðri og syðri tungu segulhalans sameinast. Nýlegar mælingar í gervitunglum hafa fundið ummerki hröðunar 150 þúsund km frá jörðu, um þriðjung af vegalengdinni til tunglsins, en áður var talið að hröðunin gerðist miklu nær. Hugsanlega er fjarlægðin breytileg. Ýmislegt bendir til þess að talsvert af þeim rafögnum sem mynda norðurljósin komi úr rafhvolfi jarðar en ekki frá sól, þótt sólin sé aflvakinn í atburðarásinni.

Teikningin hér að ofan er skýringarmynd sem á að sýna hvað gerist þegar rafagnir í sólvindinum rekast á segulsvið jarðar, umlykja það og teygja út í hala sem nær langt út fyrir braut tunglsins. Rafagnir komast niður um pólkleifarnar og þaðan út í halann. Myndin er fengin af vefsíðu geimferðastofnunar Bandaríkjanna, NASA: http://sec.gsfc.nasa.gov/popscise.jpg. Á vefsetrinu Youtube er myndskeið sem á að sýna hvernig menn telja að rafeindirnar sem mynda norðurljósin fái þá hröðun sem til þarf, við samruna gagnstæðra segulkraftlína í halanum.
Sjá hér (smella á mynd):

  .

   Orkan í norðurljósum er umtalsverð. Meðalsterkur  norðurljósabogi er talinn flytja 10  GW.  Straumurinn  nemur milljónum  ampera. Allar vatnsvirkjanir á Íslandi  framleiða tæplega 2 GW.

   Ýmis fyrirbæri fylgja norðurljósum eða tengjast þeim með einhverjum hætti. Rafstraumar í háloftunum spana upp strauma í löngum rafmagnslínum og símalínum, þar á meðal sæsímum og geta valdið skemmdum í spennistöðvum. Straumarnir valda líka tæringu í olíuleiðslum. Í storminum mikla 13. mars 1989 urðu milljónir manna í Kanada rafmagnslausir í níu klukkustundir. Sá stormur hófst einum og hálfum sólarhring eftir sólblossa. Rafagnastraumarnir sem mynda norðurljósin valda líka aukinni röfun í fareindahvolfinu  neðan ljósanna í svonefndu D-lagi, í 60-90 km hæð, og trufla þá fjarskipti. Til að mæla röfunina eru m.a. notaðir ríómælar (Relative Ionospheric Opacity Meters) sem greina útvarpsbylgjur utan úr himingeimnum, venjulega með bylgjutíðninni 20-40 MHz  (7-15 m bylgjulengd). Þegar röfunin eykst, dofna þessar bylgjur. Ríómælar gera það kleift að fylgjast með norðurljósum að degi til, en þó verður að slá þann varnagla að ekki er fullkomið samræmi milli röfunar í D-laginu og norðurljósa. Athuganir benda til að röfunin tengist frekar dreifðum norðurljósum en þeim sem eru skarplega afmörkuð.


Myndin sýnir þrjú ríómælaloftnet í Leirvogi árið 1971

 Með ratsjám er unnt að fylgjast með röfun í sömu hæð og norðurljósin. Endurvarp ratsjárbylgnanna verður mest þar sem bylgjurnar lenda þvert á segullínurnar, þ.e.hornrétt á geislana í norðurljósunum. Ríómælum hefur verið komið upp á nokkrum stöðum á Íslandi í lengri eða skemmri tíma (í Leirvogi, á Siglufirði, á Mánárbakka og á Fagurhólsmýri), og ratsjármælingar hafa verið stundaðar á tveimur stöðum (á Stokkseyri og í Þykkvabæ). Erlendir vísindamenn hafa staðið að þessum mælingum, oftast í náinni samvinnu við Íslendinga.

   Þegar rafeindir stöðvast í háloftunum myndast röntgengeislar, svonefnd hemlunargeislun, sem mælist í loftbelgjum í 30 km hæð. Er það enn ein aðferðin til að fylgjast með því sem gerist þegar rafagnir berast inn í gufuhvolfið. Þessari aðferð hefur verið beitt nokkrum sinnum hérlendis af erlendum vísindamönnum..

   Áhrif sólgosa stafa ekki einungis af rafögnum sem berast til jarðar á tíma sem reiknast í dögum. Fyrstu truflanavaldarnir fylgja ljóshraða og ná til jarðar á átta mínútum. Þá kemur fram aukin röfun í háloftunum í 60-90 km hæð (í D-lagi rafeindahvolfsins). Þessi röfun leiðir til þess að útvarpssamband á stuttbylgjum skerðist eða tapast með öllu. Lengi vel var álitið að þetta stafaði af  aukningu sem mælist í útfjólubláu ljósi frá sól, en síðar varð ljóst að röfunin stafar fyrst og fremst af röngtengeislum frá sólinni. 

   Miklir sólblossar senda stundum frá sér ský af orkumiklum róteindum. Þessi ský ná til jarðar á nokkrum klukkustundum og valda röfun sem varað getur dögum saman. Fyrirbærið kallast pólhettudeyfing, því að það nær yfir heimskautasvæði jarðar, og getur valdið algjörri stöðvun á útvarpsfjarskiptum. 
 
   Rafagnir frá sólu geta skemmt tæki í gervitunglum. Þannig urðu bilanir í tveimur sjónvarpstunglum í stormi árið 1994. Efri loftlög hitna, lofthjúpurinn þenst út og það hefur áhrif á braut gervitungla. Af þeirri ástæðu féll Skylab geimstöðin  til jarðar fyrr en áætlað var í júlí 1979. Solar Maximum Mission (SMM) gervitunglið hrapaði af sömu ástæðu árið 1990. GPS staðsetningarkerfið getur truflast vegna breytinga sem verða í rafhvolfi jarðar og hafa áhrif á tímatöfina milli sendingar og móttöku í kerfinu.

   Flugmenn og farþegar í flugvélum sem fljúga hátt njóta minni verndar frá andrúmslofti jarðar en þeir sem eru á jörðu niðri og geta því orðið fyrir nokkurri geislun þótt tæplega sé hún hættuleg. Concorde flugvélarnar voru búnar varúðarbjöllum sem nokkrum sinnum gáfu aðvörun, þar á meðal í storminum 1989 sem fyrr er getið. Geimfarar sem ferðast ofan gufuhvolfsins eru í mun meiri hættu vegna geislunar í útfjólubláu ljósi, röntengeislum og jafnvel gammageislum frá sólu. Á ferð um jörðu í geimstöðinni Mir árin 1992 og 1995 urðu geimfarar fyrir verulegri róteindageislun og sáu glampa í augum. Flest geimför hafa þó verið svo nærri jörðu að geimfararnir hafa notið verndar segulsviðs jarðar sem beinir rafhlöðnum ögnum frá. Í Apolló-tunglferðunum voru geimfararnir hins vegar svo langt frá jörðu að þeir voru óvarðir og menn höfðu miklar áhyggjur meðan á þeim ferðum stóð.  Síðustu tvær tunglferðirnar voru farnar árið 1972, Apolló 16 í apríl og Apolló 17 í desember. Í ágúst það ár varð mikill sólblossi sem hefði getað haft alvarlegar afleiðingar ef tunglferð hefði staðið yfir á sama tíma.  

   Ýmsir telja sig hafa heyrt hljóð sem fylgt hafi norðurljósum, eins konar suð, nið eða brak. Reyndir athugunarmenn hafa skráð skýrslur um slík hljóðfyrirbæri, en ekki hefur tekist að staðfesta þau með hljóðnemum svo að vitað sé, og skýringin er óviss. Þó er ljóst að hljóðið berst ekki frá norðurljósunum sjálfum. Loftið í þessari miklu hæð er of þunnt til að hljóðbylgjur geti myndast, og vegna fjarlægðar myndi hljóðið ekki sveiflast í takt við ljósin. Hljóð sem myndast ofan við 60 km hæð, t.d. vegna loftsteins, nær ekki til jarðar heldur endurvarpast upp á við. Hugsanlegt er að hljóð sem fylgja norðurljósum myndist fyrir áhrif rafsviðs sem spanast upp á jörðu niðri samtímis norðurljósunum.
--------------------------------------------
Viðbót: Í júlí 2012 var tilkynnt að vísindamönnum í Finnlandi hefði tekist að mæla og staðsetja hljóð frá norðurljósum með því að nota þrjá aðskilda hljóðnema. Hljóðið reyndist koma úr 70 metra hæð eða þar um bil. Frekari athuganir bentu til að hitahvörf hefðu verið í þessari hæð frá jörðu. Kenning Finnanna er sú að hitahvörfin hafi myndað skil milli jákvæðra og neikvæðra rafhleðslna í loftinu, og að segultruflanir sem fylgdu norðurljósunum hafi valdið neistamyndun með tilheyrandi braki.
--------------------------------------------
   Norðurljós gefa frá sér sterkar útvarpsbylgjur með nokkur þúsund metra bylgjulengd. Bylgjurnar myndast í 5-7000 km hæð, en endurvarpast út í geiminn og mælast því ekki á jörðu niðri.

   Gervi-norðurljós hafa verið framkölluð með því að sleppa efnum, venjulega baríngufu, úr eldflaugum eða gervitunglum í 140-400 km hæð. Barín hefur verið notað vegna þess að það hefur lága röfunarspennu.  Ljósin sem þannig myndast taka gjarna á sig lögun norðurljósaboga, en liturinn er annarlegur (daufgrár eða fjólublár). Á árunum 1958 og 1962  voru kjarnorkusprengjur sprengdar í háloftunum (sjö bandarískar og þrjár sovéskar). Komu þá fram norðurljós fjarri sprengistað, við andstæða enda segulkraftlína, t.d. yfir Nýja-Sjálandi.

   Norðurljós hafa sést á ytri reikstjörnunum. Sterkust eru þau á Júpíter, en þau sjást líka á Satúrnusi, Úranusi og Neptúnusi. Ekki eru norðurljós á Merkúríusi, Venusi eða Mars. Merkúríus hefur að vísu segulsvið, en ekkert gufuhvolf.

Þessi fallega mynd af Satúrnusi er í rauninni samsett úr tvenns konar myndum frá Hubble sjónaukanum.  Þarna hafa nokkrar myndir af  norðurljósum Satúrnusar eins og þau sjást í útfjólubláu ljósi verið sameinaðar og felldar inn í  mynd af Satúrnusi sem tekin var í venjulegu sólarljósi. Myndin fylgdi frétt af vefsíðunni www.hubblesite.org.

Hér fyrir neðan koma nokkrar myndir af norðurljósum, teknar á Íslandi. Með því að smella á litlu myndirnar fást stærri myndir. Rétt er að hafa í huga að myndavélar skila litum misjafnlega og ekki alltaf eins og augað sér þá, sérstaklega þegar birtan er lítil. Þetta á við um bæði filmuvélar og stafrænar vélar.

Geislótt bönd. Mynd tekin á Augastöðum í Borgarfirði 13. september 2004.  Ljósmynd: Natsuo Sato.
Geislótt bönd. Mynd tekin á Augastöðum í Borgarfirði 13. september 2004.  Ljósmynd: Natsuo Sato.
Geislar. Mynd tekin á Augastöðum í Borgarfirði 13. september 2004. Ljósmynd: Natsuo Sato.
Kórónuleitt band. Mynd tekin á Augastöðum í Borgarfirði 14. september 2004. Ljósmynd: Natsuo Sato.
Kórónuleitt band. Mynd tekin á Augastöðum í Borgarfirði 14. september 2004. Ljósmynd: Natsuo Sato.
Grisjótt slæða. Mynd tekin á Augastöðum í Borgarfirði 13. september 2004. Slæður af þessu tagi sjást gjarna í lok norðurljósahviðu. Oft eru í þeim hverfulir blettir. Ljósmynd: Natsuo Sato.
Eingert band. Mynd tekin vestan Þorlákshafnar 18. janúar 2005. Ljósmynd: Snævarr Guðmundsson.
Geislótt band. Mynd tekin 18. mars 2002 nálægt Kaldárseli ofan Hafnarfjarðar. Ljósmynd: Snævarr Guðmundsson.
Kórónuleitt geislótt band. Mynd tekin 18. mars 2002 nálægt Kaldárseli ofan Hafnarfjarðar. Ljósmynd: Snævarr Guðmundsson.
Rautt, geislótt band. Mynd tekin við Kleifarvatn 19. mars 2002. Ljósmynd: Snævarr Guðmundsson.
Alrauð norðurljósaslæða. Mynd tekin í Kjósarskarði um miðnætti 30.-31. október 2010. Ljósmynd: Snævarr Guðmundsson.
Eingerð og geislótt bönd yfir Snæfellsjökli að kvöldi 15. nóvember 2011. Ljósmynd: Snævarr Guðmundsson.
Þessi fallega mynd birtist á vef Bandarísku geimvísindastofnunarinnar NASA (sjá vefsíðuna http://apod.nasa.gov/apod/ap120430.html). Hún er tekin 30. apríl 2012 við svonefnt heimskautsgerði nálægt Raufarhöfn. Ljósmyndari var Frakkinn Stephane Vetter.  Á myndinni sést Karlsvagninn, og af honum má ráða að Pólstjarnan sé fyrir miðju, utan og ofan myndsviðsins. Ætla mætti að myndavélinni hafi verið beint til norðurs, en svo er ekki.  Miðpunktur kórónunnar sem geislar norðurljósanna mynda, er alltaf á suðurhimni. Á Íslandi er hann lítið eitt til austurs frá suðri, um 15° frá hvirfilpunkti. Myndin er því tekin til suðurs, en þar sem linsa vélarinnar er óvenjulega víðfeðm (á að giska 114°), nær myndin talsvert norður fyrir hvirfilpunktinn. 
Brot úr kvikmynd sem tekin var á Mánárbakka með myndavél Pólrannsóknastofnunar Japans. Myndinar ná yfir allan himininn og snúa þannig að segulnorður (stefna áttavitanálar) er upp. Sýningarhraði er þrjátíu sinnum meiri en raunverulegur hraði. Tekið í svarthvítu (ekki lit).
Annað brot úr kvikmynd frá Mánárbakka. Á þessu myndbroti sést slæða hverfulla og flöktandi norðurljósa í lok norðurljósahviðu.  Tekið í svarthvítu.

 
Ýmis fróðleiksrit
The Aurorae eftir Leif Harang. Chapman & Hall Ltd. 1951.
Photographic Atlas of Auroral Forms. Útg. International Geodetic and Geophysical Union.
    A.W. Brøggers Bogtrykkeri A/S 1951.
The Polar Aurora eftir Carl Störmer. Oxford University Press 1955.
Physics of the Aurora and Airglow eftir Joseph W. Chamberlain. Academic Press 1961.
Keoeeit. The Story of the Aurora Borealis eftir William Petrie. Pergamon Press 1963.
International Auroral Atlas. Útg. International Union of Geodesy and Geophysics.
    Edinburgh University Press 1963.
Nordlyset, eftir Asgeir Brekke og Alv Egeland. Grøndahl & Sön Forlag A.S. 1979.
Majestic Lights, eftir Robert H. Eather. American Geophysical Union 1980.
The Sun, Our Star eftir Robert W. Noyes. Harvard University Press 1982.
Auroral Physics. Ritstj. Ching.-I. Meng, Michael J. Rycroft og Louis A. Frank.
    Cambridge University Press 1991.
The Sun in Time. Ritstj. C.P. Sonett, M.S. Giampapa og M.S. Matthews.
    University of Arizona Press 1991.
The Aurora, eftir Neil Bone. John Wiley & Sons and Praxis Publishing Ltd. 1994.
Physics of the Upper Polar Atmosphere eftir Asgeir Brekke.
    John Wiley & Sons and Praxis Publishing Ltd. 1997.
Norrsken, eftir Ingrid Sandahl. Bokförlaget Atlantis 1998.
The Cambridge Encyclopedia of the Sun, eftir Kenneth R. Lang.
    Cambridge University Press 2001.

Eftirmáli

   Grein þessi er viðbót við fyrri grein um norðurljósin á þessu vefsetri. Fleiri greinar sem varða norðurljós er að finna á þessu  yfirliti.
 
22. maí 2012. Síðast breytt 24.10. 2016  

Forsíða