Poollicht

Er zijn twee verschillende soorten poollicht. Het noorderlicht, wetenschappelijke naam 'Aurora Borealis', en het zuiderlicht, wetenschappelijke naam 'Aurora Australis'. Het poollicht is één van de meest spectaculaire natuurverschijnselen van onze planeet. Het wordt herkend aan de grote banden met felle kleuren licht die door de lucht lijken te dansen, vaak is dat groen of groenachtig. De meeste mensen verwijzen dan naar het noorderlicht. Dit komt doordat het zuiderlicht normaal gesproken alleen op Antarctica is te zien. Het woord poollicht verklapt al een paar belangrijke eigenschappen van dit natuurverschijnsel, namelijk 'pool' en 'licht'. Simpel gezegd is het licht dat aan de kant van de polen ontstaat, aan de kant van de Zuidpool en aan de kant van de Noordpool. Toch is poollicht niet altijd spectaculair. Er bestaat ook nog een 'diffuus' poollicht. Diffuus poollicht is erg zwak van kleur en is altijd aanwezig als een vage gloed licht.

Zuiderlicht vanaf het ruimtestation ISS

De Poollichtovaal

De gebieden waar poollicht het meeste voorkomt vallen binnen het poollichtovaal. Dit zijn Alaska, Noord Canada en de Noordkaap voor het noorderlicht en Antarctica voor het zuiderlicht.

Hoe ontstaat poollicht?

Poollicht ontstaat binnen de ionosfeer. Energierijke deeltjes (elektronen en protonen) afkomstig van de zon bereiken de Aarde door zonnewind of zonnevlammen. Als deze deeltjes aankomen bij de Aarde komen ze eerst in de buitenste Van Allan gordel, beter bekend als stralingsgordel, terecht. Deze buitenste gordel bevindt zich op ongeveer 16.000 kilometer hoogte en bevat vooral elektronen. Het magnetisch veld van de Aarde oefent een kracht uit op de deeltjes uit de gordel. Het magnetische veld is het sterkste bij de polen. Hierdoor worden de deeltjes naar de polen toegetrokken en buigen ze af naar de pool toe via cirkelvormige veldlijnen. De kracht die deze afbuiging veroorzaakt heet de Lorentzkracht. Aangekomen bij de pool botsen de deeltjes met stikstof en zuurstof atomen en moleculen uit de atmosfeer. Het proces waarbij de zonnedeeltjes botsen wordt met een moeilijk woord atomair proces genoemd. Tijdens dit proces vallen moleculen uitéén, worden ze aangeslagen (het opnemen of absorberen van atomen) of geïoniseerd. De zichtbare energie die hierbij vrijkomt is het poollicht. De typische hoogte van poollicht is tussen de 100 en 400 kilometer.

Het magnetisch veld

De Aarde heeft een magnetisch veld. Dit veld gedraagt zich als een staafmagneet met aan twee kanten een verschillende pool. Aan de bovenkant zit een positieve pool, die positief geladen deeltjes bevat. Deze kant kennen we als de Noordpool. Aan de onderkant een negatieve pool die negatief geladen deeltjes bevat. Deze kant kennen we als de Zuidpool. In de wetenschap wordt deze magnetische eigenschap een dipool genoemd. Typisch aan deze eigenschap is dat de energierijke elektrisch geladen deeltjes altijd in de richting van de noordpool naar de zuidpool bewegen en door de kern van de aarde weer teruggaan naar de zuidpool in een gesloten circuit. De beweging van noord naar zuid gebeurt buitenom. De magnetische polen zitten niet op dezelfde lijn als de geografische Noord-en Zuidpool omdat het niet precies op de rotatieas van de aarde ligt (de as waar de Aarde omdraait). De deeltjes die van zuid naar noord bewegen doen dit in een kurkentrekker beweging binnen in de kern van de aarde. De deeltjes drukken elkaar naar buiten via de noordpool en duwen elkaar weg. Deze ontdekkingen zijn gedaan door Micheal Faraday en Carl Friedrich Gauss. Deze veldlijnen kunnen worden nagebootst door een staafmagneet te nemen en ijzervijlsel rond de magneet te strooien. Dit verklaart waarom de half-cirkelvormige veldlijnen van het magnetisch veld. De wet van Gauss wordt gebruikt om het elektrische veld te berekenen.

Magnetisch veld van de Aarde

De massa van de Aarde is belangrijk om het magnetische veld in stand te houden. Heeft een planeet te weinig massa, dan zal het magnetisch veld uiteindelijk ophouden met bestaan. Dit komt doordat een planeet met minder massa snel afkoelt en geen vloeibare kern kan behouden. Het magnetische veld ontstaat door de bewegingen van ijzer-rijk materiaal in de buitenste vloeibare kern van de Aarde. Omdat ijzer een goede geleider is van elektriciteit vormen de bewegingen van deze ijzerrijke deeltjes een magnetisch veld. Deze werking wordt dynamo genoemd. Het afgekoelde materiaal uit de vloeibare kern wordt hard en hecht zich aan de harde massieve kern van de Aarde. Tijdens deze aanhechting komt energie vrij die invloed heeft op de bewegingen van de vloeibare kern. Om een magnetisch veld te creëren moet er sprake zijn van beweging! Je kun dit testen door een kompas bij een elektrische snoer te houden van een elektrisch apparaat met een schakelaar. Staat het apparaat uit, dan gebeurt er niets, zet je het apparaat aan, dan zal de pijl in het kompas bewegen. De tektonisch platen spelen hierbij ook een belangrijke rol. Ze zorgen ervoor dat de mantel van de Aarde redelijk snel kan afkoelen. Omdat dit snel gebeurt blijven de convectiestromen van de Aarde sterk en houden zij het vloeibare gesteente in beweging. Convectiestromen ontstaan door de wisselende temperaturen in de aardmantel.

Chemische samenstelling atmosfeer Aarde

• 78.08% Stikstof
• 20.95% Zuurstof
• 0,035% Carbondioxide
• 0,003% Waterdamp
• Bijna 0% andere gassen

Kleurenspektakel

De vele kleuren die het prachtige poollicht heeft, ontstaan door de hoeveelheid energie die er vrij komt wanneer energierijke deeltjes afkomstig van de zon op de atmosfeer botsen. De kleur hangt af van de moleculen en atomen waar zij mee botsen in de atmosfeer, zoals bijvoorbeeld zuurstof of stikstof en is afhankelijk van de chemische samenstelling van de atmosfeer. Komt er veel energie vrij, dan is het licht heel fel en bijvoorbeeld blauw/groen, komt er minder energie vrij dan is het licht zacht en meestal roodachtig. Iedere kleur heeft een andere golflengte, die de hoeveelheid energie aangeeft. Lage energie geeft de kleur rood en heeft een lange golflengte, hoge energie geeft de kleur blauw, en heeft een korte golflengte. Buiten de nieuw ontstane chemische samenstelling, heeft de kleur van het poollicht daarom ook te maken met de snelheid waarmee een deeltje de atmosfeer binnendringt. Dringt het deeltje met hogere snelheid de atmosfeer binnen, dan bevat het meer energie, het licht heeft dan een kleinere golflengte en is feller.

Zonnevlam

Het effect van zonnevlammen (Coronale Massa Ejectie)

Een zonnevlam ontstaat wanneer geladen deeltjes in de buitenste schil van de zon (de corona) zich abnormaal gedragen. De deeltjes nemen toe en temperatuur en bereiken een enorme snelheid waardoor er een explosie tot stand komt. Tijdens deze explosie, worden de deeltjes met een enorme kracht en snelheid de ruimte in geslingerd (geëjecteerd), dit heet in de wetenschap Coronale Massa Ejectie. De deeltjes bevatten extreem hoge energie en kunnen het magnetisch veld erg verstoren. De zonnevlamdeeltjes hebben zelf ook een magnetisch veld. Als de richting van het magnetische veld van de zonnevlam het tegenovergestelde is van het magnetische veld van de Aarde, dan slaat het een gat in de magnetische afweer. De vorm en de sterkte van het aardmagnetisch veld verandert dan tijdelijk. Deze verandering heet in de wetenschap magnetische re-connectie'. Als er een magnetische re-connectie plaatsvindt zoeken de geladen deeltjes van het aardmagnetisch veld een andere weg om zich te hechten en het magnetisch veld te herstellen. Omdat de magnetische veldlijnen zijn verstoord, is de afweer van deeltjes tijdelijk zwak. Hierdoor kunnen veel meer deeltjes de atmosfeer binnendringen dan normaal en ontstaat het mooiste poollicht wat er bestaat, de kleuren zijn heel fel en de lichtbanden heel breed. Het noorderlicht is dan zichtbaar tot aan de evenaar.

Magnetische re-connectie

Bronnen

• Baker, J. (2010). 50 inzichten in natuurkunde: Onmisbare kennis. Diemen: Veen Magazines.
• Bais, S. (2007). De natuurwetten: Iconen van onze kennis. Amsterdam: Amsterdam University Press.
• Brooks, M. (2010). De grote vragen: Natuurkunde. Diemen: Veen Magazines.
• Dunlop, S. (2017). Weather: A very short introduction. New York: Oxford University Press
• Freedman, R.A. & Kaufmann, W.J. (2005). Universe, seventh edition. New York: W.H. Freeman and company.
• Flink, R.J. (1997). Elektriciteitsleer: Natuurkunde voor het Hoger Beroeps Onderwijs.Baarn: Uitgeverij Intro.
• Geach, J. (2018). Five Photons: Remarkable journeys of light across space and time. Londen: Reaktion Books Ltd.
• Green, L. (2016). 15 miljoen graden: Wat de zon voor ons betekent. Amsterdam: Nieuw Amsterdam uitgevers.
• Giancoli, D.C. (1988). Natuurkunde voor wetenschap en techniek. Schoonhoven: Academic Service.
• Kops, W. De geheimen van het licht: Een weg naar inzicht in de raadselen van het leven. (2013). Zeist: Uitgeverij Christofoor.
• Livingston, W. & Lynch, D.K. (2006). Diemen: Veen Magazines.