Hoe ontstaat het noorderlicht door zonnewind?

Het noorderlicht lijkt een verschijnsel aan de hemel, maar de oorzaak ligt veel verder weg. De zon stuurt voortdurend elektrisch geladen deeltjes de ruimte in. Wanneer die stroom de aarde bereikt, kan een deel van de energie via het aardmagnetisch veld in de hoge atmosfeer terechtkomen. Daar ontstaan de lichtbogen en sluiers die we als noorderlicht herkennen.

De vorm en kleur hangen af van verschillende stappen: de activiteit van de zon, de reactie van de magnetosfeer en botsingen met zuurstof en stikstof. Die volgorde verklaart ook waarom het licht meestal bij de poolgebieden verschijnt en soms, tijdens sterke geomagnetische activiteit, verder naar het zuiden zichtbaar wordt.

Welke reis leggen de deeltjes af voordat het licht verschijnt?

Het ontstaan van noorderlicht is geen enkele botsing, maar een keten van processen. De zon levert de deeltjes en energie; de omgeving van de aarde bepaalt hoe die energie wordt opgevangen en naar de atmosfeer geleid. Daar zetten botsingen een deel ervan om in zichtbaar licht. De stappen zijn als volgt.

1. De zon zendt geladen deeltjes uit. De buitenste atmosfeer van de zon is heet en elektrisch geladen. Daardoor ontsnapt er voortdurend een stroom elektronen en ionen: de zonnewind. Die stroom bereikt ook de aarde. Volgens het KNMI over het noorderlicht bewegen de deeltjes doorgaans met ongeveer 400 tot 800 kilometer per seconde. De zonnewind is dus geen lichtstraal, maar een stroom materiedeeltjes.

2. Het aardmagnetisch veld reageert op de zonnewind. Rond de aarde bevindt zich de magnetosfeer, het gebied waarin het aardmagnetisch veld de beweging van geladen deeltjes beïnvloedt. De zonnewind vervormt dit magnetische gebied en kan er energie in opslaan. Als de omstandigheden veranderen, kunnen deeltjes versnellen en langs magnetische veldlijnen richting de poolgebieden bewegen. De magnetosfeer houdt dus niet ieder deeltje eenvoudigweg tegen: onder bepaalde omstandigheden kunnen deeltjes en energie de bovenste atmosfeer bereiken.

3. De deeltjes komen in de hoge atmosfeer terecht. De snel bewegende elektronen botsen daar met atomen en moleculen, vooral zuurstof en stikstof. Bij een botsing kan een atmosferisch deeltje tijdelijk extra energie krijgen. Het is dan aangeslagen: het bevindt zich in een energierijkere toestand dan normaal. Wanneer het terugvalt naar een lagere energietoestand, komt het verschil vrij als licht. Een groot aantal van zulke botsingen maakt samen de zichtbare gloed.

4. De hoogte en het soort gas bepalen mede de kleur. Zuurstof kan groen licht geven op ongeveer 100 tot 200 kilometer hoogte en rood licht op grotere hoogte. Stikstof kan bijdragen aan blauwe, paarse of roze tinten, afhankelijk van de hoogte en de energie van de botsingen. Deze hoogtes zijn geen scherpe grenzen waarboven een kleur altijd verschijnt; het zijn typische bereiken. De NASA-uitleg over aurora’s beschrijft hoe kleuren voortkomen uit de combinatie van atmosferisch gas, hoogte en deeltjesenergie.

Waarom verschijnt het noorderlicht vooral rond de polen?

Het aardmagnetisch veld stuurt geladen deeltjes niet gelijkmatig naar alle delen van de aarde. De gebieden waar aurora’s vaak ontstaan liggen in ringen rond de magnetische poolgebieden. Zo’n zone heet een aurorale ovaal. Volgens het KNMI liggen landen als Noorwegen, IJsland en Canada geregeld onder die ring. Daar is de kans om het verschijnsel te zien daardoor groter dan op lagere breedtegraden.

De ovaal is geen vaste cirkel op de kaart. De zonnewind verandert voortdurend en het magnetisch veld reageert daarop. Tijdens een geomagnetische storm, een sterke verstoring van de ruimteomgeving rond de aarde, kan de aurorale zone zich uitbreiden richting lagere breedtegraden. Het licht kan dan vanuit gebieden verder van de pool zichtbaar worden. Dat is iets anders dan zeggen dat de deeltjes altijd rechtstreeks vanaf de zon op een waarnemer neerkomen: de interactie met de magnetosfeer speelt een centrale rol in hun route.

De vorm van het licht hangt eveneens samen met de structuur en beweging van de processen in de bovenste atmosfeer. Deeltjes volgen magnetische veldlijnen, terwijl de omstandigheden in de magnetosfeer en de atmosfeer veranderen. Daardoor kunnen waarnemers bogen, sluiers, gordijnen of bewegende banden zien. De patronen verschuiven en veranderen in helderheid; ze zijn geen vaste objecten die boven één plaats blijven hangen.

Wat maakt het licht tijdens een zonnestorm helderder of zichtbaarder?

Een zonnestorm kan beginnen met verhoogde activiteit op de zon, bijvoorbeeld wanneer een coronale massa-uitstoot een grote hoeveelheid materie de ruimte in slingert. Komt zo’n verstoring bij de aarde aan, dan kan ze de magnetosfeer sterker beïnvloeden. Meer energie kan in het systeem terechtkomen en meer deeltjes kunnen worden versneld richting de bovenste atmosfeer. Dat vergroot de kans op een heldere aurora en op zichtbaarheid buiten de gebruikelijke poolgebieden.

Toch betekent een uitbarsting op de zon niet automatisch dat het noorderlicht op een bepaalde plek te zien zal zijn. De richting en eigenschappen van de verstoring, de reactie van de magnetosfeer en de omstandigheden op aarde spelen allemaal mee. Bewolking kan het zicht bovendien blokkeren, ook wanneer er boven de wolken aurora actief is. De ESA-beschrijving van de magnetosfeer laat zien hoe de zonnewind, het aardmagnetisch veld en de poolgebieden op elkaar inwerken; een eenvoudige voorspelling op basis van alleen zonneactiviteit laat die samenhang buiten beschouwing.

Ook de hoogte doet ertoe voor de afstand waarover het verschijnsel zichtbaar kan zijn. Het KNMI vermeldt dat aurora’s tijdens bijzondere omstandigheden tot ongeveer 300 à 400 kilometer hoogte kunnen ontstaan. De hogere lichtbron kan vanaf verder weg boven de horizon verschijnen dan een lager gelegen lichtbron. Tijdens minder uitzonderlijke omstandigheden bevindt het noorderlicht zich volgens dezelfde uitleg vaak op ongeveer 100 tot 200 kilometer hoogte. De afstand waarop iemand het kan zien verschilt dus met de hoogte, de helderheid en de kijkomstandigheden.

Waarom zijn groen en rood zo herkenbaar?

Groen is een veelvoorkomende kleur van het noorderlicht, omdat zuurstof op bepaalde hoogtes bij botsingen groen licht kan uitzenden. Rood komt eveneens van zuurstof, maar hangt doorgaans samen met grotere hoogtes. Blauw en paars kunnen ontstaan door stikstof. De kleuren kunnen door elkaar lopen, zodat een waarnemer niet altijd een vlakke, duidelijk begrensde kleurband ziet.

De kleur is daarmee geen simpele kleurcode voor één afzonderlijke gebeurtenis. Ze geeft informatie over welke deeltjes in de atmosfeer licht uitzenden, maar de waargenomen tint hangt ook af van de energie van de botsingen en van de combinatie van lichtbronnen. Bovendien beïnvloedt het menselijk zicht hoe kleuren bij weinig licht worden waargenomen. Een foto kan daardoor andere kleuren tonen dan iemand met het blote oog ziet, onder meer doordat camera-instellingen en belichting verschillen.

Een afbeelding van het noorderlicht laat dus wel zien dat er licht is uitgezonden, maar vertelt niet zonder meer precies welke deeltjesbeweging of magnetische verandering de oorzaak was. Voor zulke verklaringen combineren onderzoekers waarnemingen van de zon, metingen van de magnetosfeer en gegevens over de bovenste atmosfeer. Net als bij ander ruimteonderzoek gaat het om verschillende metingen die samen een fysisch proces helpen reconstrueren.

Hoe ontstaat het noorderlicht stap voor stap?

De kern is een overdracht van energie. De zonnewind brengt geladen deeltjes en beïnvloedt de magnetosfeer. Onder geschikte omstandigheden versnellen deeltjes en bewegen ze langs magnetische veldlijnen naar de poolgebieden. Daar botsen ze met zuurstof en stikstof in de hoge atmosfeer. Die atomen en moleculen raken tijdelijk aangeslagen en zenden licht uit wanneer ze terugkeren naar een toestand met minder energie.

Dezelfde keten verklaart drie kenmerken die soms los van elkaar worden gezien: de poolnabije ligging komt voort uit de rol van het aardmagnetisch veld, de wisselende helderheid hangt samen met de veranderlijke toevoer van energie en de kleuren ontstaan door botsingen met verschillende atmosferische gassen. Een sterkere geomagnetische verstoring kan de aurorale zone uitbreiden en het licht op grotere afstand zichtbaar maken, maar waarneming hangt daarnaast af van hoogte, duisternis en bewolking.