Hvað eru norðurljós?

Norðurljósin eru glæsilegt sjónarspil sem við á norður- og suðurhveli jarðar fáum að njóta á fallegum vetrarkvöldum. Í þúsundir ára hafa menn ýmist óttst þau eða elskað og dáð, og jafnframt reynt að komast að því hvað þarna er á ferðinni.

Hin undarlegu ljósfyrirbæri á himni, sem á máli vísindanna hafa verið nefnd Aurora polaris á ensku, en mættu á íslensku kallast heimskautaljós eða segulljós, hafa löngum vakið blendnar tilfinningar með þeim sem hafa barið þau augum, enda kannski ekki að furða, jafn dularfull sem þau löngum hafa þótt vera. Norðurljósin eru nefnd eftir rómverksku gyðjunni Aurora, sem er gyðja dögunar. Ljósin skiptast upp í norðurljós og suðurljós eftir því hvorn pólinn þau sjást, eða aurora borealis og aurora australis. Boreas er gríska orðið fyrir norðanvind og australis er latneska orðið fyrir suðrið.

Yfirborð sólarinnar sendir í sífellu frá sér svokallaðan sólvind, en hann er straumur hlaðinna agna, aðallega róteinda og rafeinda. Segulsvið jarðar hrindir flestum þessum ögnum frá svo að þær streyma umhverfis hana eins og vatn um kjöl. Undantekning frá þessu er kringum segulpólana en það eru pólarnir sem segulnál vísar á, annar á norðurhveli og hinn á suðurhveli jarðar, gagnstætt við hinn. Á svæðum kringum þessa póla sleppur lítill hluti þessara agna inn í segulsvið jarðar. Svæðið þar sem flestar agnirnar sleppa inn myndar kraga utan um segulpólana.

Hlöðnu eindirnar sem fara inn í segulsvið jarðar hreyfast á miklum hraða eftir gormlaga brautum kringum segulsviðslínurnar milli segulskautanna. Rafeindir og róteindir streyma þannig í átt að segulpólunum og þegar nær dregur pólunum rekast eindirnar á lofthjúpinn, oftast í milli 100 og 250 km hæð. Orkan í rafeindunum og róteindunum örvar sameindir og frumeindir í lofthjúpnum en þær senda aftur á móti frá sér orkuna sem sýnilegt ljós sem við köllum norðurljós eða suðurljós eftir því við hvorn pólinn þau sjást. Litirnir sem við sjáum oftast eru grænn og rauð-fjólublár, en þeir stafa frá örvuðu súrefni annars vegar og örvuðu köfnunarefni eða nitri hins vegar.

Áhrif sólvindsins eru mest á kraga kringum segulpólana og þar eru norður- og suðurljósin einnig mest áberandi. Á Íslandi erum við svo heppin að vera í norðurljósakraganum að nóttu til við eðlileg skilyrði. Breytingar í sólvindinum valda því hins vegar að kragarnir geta stækkað eða minnkað og sjást þá ljósin á mismunandi breiddargráðum. Sem dæmi um þess konar breytingar má nefna að sólin sendir stöku sinnum frá sér gífurlegt magn af efni út í geiminn, svokallaða sólstróka. Þegar þeir ná til jarðarinnar geta norður- og suðurljósakragarnir náð mjög langt í átt að miðbaug og dæmi er um að orðið hafi vart við ljósaganginn á sjálfum miðbaugnum.

Á 11 ára tímabili sveiflast virkni sólar á milli hámarka. Í hámarki verður mikið rafagnaútstreymi í kórónugosum og sólblossum, en það eru ofsafengnustu atburðir sem gerast á sólinni. Útstreymi af þessari tegund er þó skammvinnt. Í svokölluðum kórónugeilum er rafagnaútstreymið jafnara og þau svæði geta orðið langlíf. Frá jörðu séð snýst sólin um möndul sinn á u.þ.b. 27 dögum, og í hvert sinn sem tiltekin kórónugeil snýr beint að jörðu, aukast líkurnar fyrir því að rafagnastraumur hitti jörðina. Af þessum sökum er það algengt, að reglubundin aukning verði á norðurljósum á 27 daga fresti.

Norðurljósin koma í hviðum, og er algengt að tvær eða þrjár hviður komi á einni nóttu. Venjulega sjást ljósin fyrst sem bogi eða band á norðurhimni, en síðan færist ljósagangurinn yfir á háhimin og nær ákveðnu hámarki, stundum þannig að geislar teygja sig í allar áttir frá hvirfildepli og mynda svonefnda norðurljósakórónu. Norðurljósahviðan endar gjarna með slæðu eða blettum á háhimni og suðurhimni, þar sem greina má hraðfara bylgjur sem virðast stíga frá sjóndeildarhring upp á háhimin og lýsa upp þau ský, þ.e. norðurljósaský, sem þau fara um. Ótal tilbrigði eru frá þessu sem ekki er hægt að rekja hér. En eitt verður athugandanum fljótlega ljóst. Norðurljósin fylgja oftast sömu stefnunni, frá vest-suðvestri til aust-norðausturs. Þessi stefna er hornrétt á áttavitastefnuna, og er oftast svo greinileg, að þeir sem villtir eru og áttavitalausir gætu haft norðurljósin sér til leiðbeiningar. Geislar í norðurljósunum taka líka mið af segulstefnunni. Þeir beinast ekki að hvirfildepli á himninum heldur að svonefndum segulhvirfli, þeim stað sem áttavitanál myndi stefna á ef hún fengi að snúast frjálst, en væri ekki bundin við láréttan flöt. Á Íslandi er segulhvirfillinn svo hátt á himni (aðeins 15° frá hvirfilpunkti) að geislar í norðurljósum virðast nær lóðréttir, en með aðgát má greina muninn.

Árekstur rafagna við köfnunarefni og súrefni

Í gufuhvolfi jarðar eru tvær lofttegundir algengastar, köfnunarefni (rúmlega 78%) og súrefni (tæplega 21%). Ýmsar aðrar lofttegundir eru svo að baki því sem upp á vantar. Þegar rafagnirnar, sem aðallega eru rafeindir (elektrónur) og róteindir (prótónur), koma inn í gufuhvolf jarðar, rekast þær á frumeindir og sameindir andrúmsloftsins og áreksturinn er svo mikill að þessar frum- og sameindir örvast og fara á hærra orkustig. Við það að fara aftur niður á grunnstigið senda þær frá sér geislun, þ.e. segulljósin. Þetta er svipað og gerist í flúrljósum, en þar er straumi rafeinda hleypt í gegnum þunna lofttegund, sem þá lýsir. Kvikasilfursgufa gefur t.d. bláleitt ljós, og natríum gulrauða birtu, að eitthvað sé nefnt. Segulljósin myndast hins vegar aðallega úr lýsandi súrefni og köfnunarefni.

Hæð ljósanna yfir jörð getur verið ákaflega misjöfn, en venjulega er hún 100-150 km, en þau hafa lægst sést í 65 km hæð og mest í yfir 1.000 km hæð, en slíkt heyrir þó til algjörra undantekninga. Til samanburðar má geta þess, að ský ná sjaldnast 10 km hæð og eru venjulega miklu neðar.

Suður- og norðurljós

Á norðurhveli jarðar eru þessi segulljós kölluð norðurljós, eða Aurora borealis á máli vísindanna. Og hliðstæða þeirra, eða öllu frekar andhverfa, suðurljós, Aurora australis. Í raun og veru er þar um eitt og sama fyrirbæri að ræða. Hin síðar nefndu eru í grennd við suðurheimskautið; helst eru það Nýsjálendingar og Ástralar sem eiga þess kost að sjá þau, svo og vísindamenn í rannsóknarstöðvum á Suðurskautslandinu. Vegna þessa er ekki nærri eins mikið um arfsagnir tengdar suðurljósum og er á norðurhveli jarðar. Á hinn bóginn er samt ýmislegt líkt með hugmyndum manna í suðri og norðri um þessi ljósfyrirbæri. Sem dæmi má nefna, að frumbyggjar Nýja-Sjálands og ýmsar þjóðir í Norður-Ameríku og Evrópu töldu, að segulljósin væru endurvarp frá kyndlum eða bálköstum einhvers staðar.

Löngum var talið að það hefði verið franski heimspekingurinn og stjörnufræðingurinn Pierre Gassendi (1592-1655) sem bjó til eða fyrstur notaði á prenti hið alþjóðlega heiti norðurljósanna, Aurora borealis, árið 1621, en nýlega hafa verið leidd rök að því, að höfundurinn muni vera ítalski eðlis- og stjörnufræðingurinn Galíleó Galíleí (1564-1642), og að heitið sé frá árinu 1619. Er forliðurinn vísun í rómversku gyðju morgunroðans, Áróru, og skírskotar til þess að í suðlægum löndum sjást norðurljós helst sem rauðleitur bjarmi í norðri úti við sjóndeildarhring. Viðliðurinn er tilvísun í grískan vindaguð norðursins, Boreas, sem meðal Rómverja nefndist Aquilo. Enski flotaforinginn og landkönnuðurinn James Cook (1728-1779) er hins vegar maðurinn á bak við hið alþjóðlega suðurljósaheiti, Aurora australis, og mun það hafa orðið til árið 1773.

Þessi ljós eru ekki mest yfir sjálfum heimskautunum, eins og margur kynni þó að ætla, heldur 2.000-3.000 km frá þeim, og mynda þar sveiglaga kraga utan um segulskaut jarðar en ekki sjálf heimskautin. Og þar eð segulskautið á norðurhveli er um 1.200 km frá sjálfu heimskautinu, fylgir norðurljósakraginn ekki allsstaðar sömu breiddargráðu. Aukinheldur tekur hann breytingum, stækkar þegar mikið gengur á í sólinni og færist þá suður á bóginn og getur sést nálægt miðbaugi. Þetta á eins við suðurljósakragann, nema það hann færist norður á bóginn. Alrauður himinn, af völdum nefndra ljósa, sást t.d. 1. september árið 1859 frá Honolúlú, 4. febrúar árið 1872 frá Bombay, 25. september árið 1909 frá Singapúr, 13. maí árið 1921 frá Samóaeyjum, og 13. og 23. september árið 1957 og 11. febrúar árið 1958 frá Mexíkó. Hins vegar dregst kraginn saman þegar lítið er um sólgos.

Svo er annað hitt að norðurljósakraginn er ekki hringur með segulskautið í miðju, heldur ílangur baugur sem er nær segulskautinu þeim megin sem að sól snýr. Ástæðan fyrir þessu er, að segullínur jarðar eru aflagaðar af sólvindinum; hann þjappar línunum saman á daghlið jarðar, en togar úr þeim á næturhliðinni. Á daghliðinni myndast norðurljósin því við hærri breiddargráður; kraginn er m.ö.o. breiðari á næturhliðinni og nær lengra suður á bóginn. Þetta hefur jafnframt í för með sér, að norðurljósakraginn er ekki alltaf yfir Íslandi; á hádegi er hann langt fyrir norðan land, en þokast suður upp úr því og er yfir landinu um miðnættið. Meðalstaða norðurljósakragans, þar sem norðurljós eru tíðust, nefnist norðurljósabelti; það liggur þvert yfir Ísland.

Flokkar norðurljósa

Norðurljósin geta mótast á hina ýmsu máta eins og flestir sem eitthvað hafa fylgst með norðurljósunum hafa tekið eftir. Þó er hægt að flokka þau niður í tvo aðalfokka eins og kemur fram í bók sem Veðurstofa Íslands gaf út. Aðalflokkunum tveimur er skipt upp eftir því hvort að í þeim sjáist lóðréttir ljósstafir eða ekki. Þessum flokkum er svo skipt niður í undirflokka.

1. Norðurljós án áberandi lóðréttra ljósstafa eða geisla:
Bogi. Fremur mjór og hreyfingar lítill bogi, sem liggur oft þvert yfir himininn í stefnu frá vest-suðvestri til aust-norðausturs.
Band. Líkist boga, en er óreglulegri að lögun. Er oft sem skeifa eða S í laginu. Oft á mikilli hreyfingu.
Slæða. Óreglulega dreifð norðurljós án áberandi geisla. Venjulega á lítilli hreyfingu. Líkjast stundum skýjum.

2. Norðurljós með áberandi lóðréttum ljósstöfum eða geislum:
Geislabogi. Svipar til boga, en lóðréttir geislar eru áberandi í boganum.
Geislaband. Svipar til bands, en lóðréttir geislar eru áberandi.
Geislaslæða. Líkist hangandi tjaldi, sem bylgjast um himininn. Lengri geislar en í geislabandi.
Stakir geislar. Oft mjög langar lóðréttar ljósrákir og er stefna þeirra ávallt frá sjóndeildarhring að punkti mjög hátt á himni, en liggja aldrei þvert yfir himinhvofið.
Kóróna. Geislaslæða (eða geislabönd) mjög hátt á himni, og virðast geislarnir koma saman í einum punkt.

Athuganir benda til, að hér á landi sjáist norðurljós svo til allar nætur, þegar heiðskírt er. Við norðurskautið sjást þau að líkindum fimmtu hverju nótt, í Edinborg og Ósló að meðaltali þrisvar í mánuði, í London fimm sinnum á ári, en í Róm aðeins einu sinni á tíu ára fresti.

Hvernig verða norðurljósin til? Myndbönd

Heimildir:
http://www.almanak.hi.is/frodleik.html
http://www.mbl.is/greinasafn/grein/581934/
https://www.visindavefur.is/svar.php?id=1158
https://en.wikipedia.org/wiki/Aurora
http://science.howstuffworks.com/nature/climate-weather/atmospheric/question471.htm
http://aurora-borealis.us/
https://notendur.hi.is/jeg1/nordurljos.pdf
https://notendur.hi.is/agust/kennsla/ee10/ees10/Seminars/ees-NannaTHESIS-10.pdf