Natuurkundigen bepalen hoe aurora's ontstaan

Het noorderlicht (aurora borealis) fascineert mensen al duizenden jaren. Er waren uiteraard al menige theorieën, maar hoe het poollicht ontstaat, dat was nog niet overtuigend bewezen.

In een nieuwe studie rapporteert een team van natuurkundigen onder leiding van de Universiteit van Iowa definitief bewijs dat de meest heldere aurora's worden geproduceerd door krachtige elektromagnetische golven tijdens geomagnetische stormen. De verschijnselen, bekend als Alfven-golven, versnellen elektronen naar de aarde, waardoor de deeltjes de bekende atmosferische lichtshow produceren. 

Bij de foto: Natuurkundigen onder leiding van de Universiteit van Iowa rapporteren definitief bewijs van hoe aurora's worden gecreëerd. In experimenten demonstreerden de natuurkundigen de fysieke mechanismen voor de versnelling van elektronen door Alfven-golven onder omstandigheden die overeenkomen met de aurorale magnetosfeer van de aarde. Foto: NASA.

De studie, online gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, sluit een decennialange zoektocht af om de fysieke mechanismen voor de versnelling van elektronen door Alfven-golven experimenteel aan te tonen onder omstandigheden die overeenkomen met de aurorale magnetosfeer van de aarde.

"Metingen hebben aangetoond dat deze kleine populatie elektronen 'resonante versnelling' ondergaat door het elektrische veld van de Alfven-golf, vergelijkbaar met een surfer die een golf opvangt en voortdurend wordt versneld terwijl de surfer met de golf meebeweegt", zegt Greg Howes, universitair hoofddocent bij de afdeling of Physics and Astronomy in Iowa en co-auteur van de studie.

Wetenschappers weten dat energieke deeltjes die afkomstig zijn van de zon - zoals elektronen die met een snelheid van ongeveer 72 miljoen kilometer per uur racen - langs de magnetische veldlijnen van de aarde neerslaan in de bovenste atmosfeer, waar ze in botsing komen met zuurstof- en stikstofmoleculen, waardoor ze in een opgewonden staat komen. Deze opgewonden moleculen ontspannen door licht uit te zenden en produceren de kleurrijke tinten van de aurora.

De theorie werd ondersteund door ruimtevaartmissies die boven aurora's vaak Alfven-golven aantroffen die naar de aarde reisden, vermoedelijk elektronen onderweg versnellend. Hoewel metingen vanuit de ruimte de theorie hadden ondersteund, hadden beperkingen die inherent zijn aan metingen van ruimtevaartuigen en raketten een definitieve test verhinderd.

Bij de foto: Natuurkundigen onder leiding van de Universiteit van Iowa rapporteren definitief bewijs van hoe aurora's worden gecreëerd. In experimenten demonstreerden de natuurkundigen de fysieke mechanismen voor de versnelling van elektronen door Alfven-golven onder omstandigheden die overeenkomen met de aurorale magnetosfeer van de aarde. Illustratie door Austin Montelius, Universiteit van Iowa.

De natuurkundigen vonden hun bewijs in een reeks experimenten die werden uitgevoerd bij het Large Plasma Device (LPD)(*) in de Basic Plasma Science Facility van de UCLA (University of California, Los Angeles), een onderzoeksfaciliteit gezamenlijk ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation.

"Het idee dat deze golven de elektronen kunnen activeren die de aurora creëren, gaat meer dan vier decennia terug, maar dit is de eerste keer dat we definitief kunnen bevestigen dat het werkt", zegt Craig Kletzing, professor in de afdeling Natuurkunde en astronomie in Iowa en een co-auteur van een studie. "Deze experimenten laten ons de belangrijkste metingen doen die aantonen dat de ruimtemetingen en theorie inderdaad een belangrijke manier verklaren waarop de aurora wordt gecreëerd."

Het fenomeen van elektronen die "surfen" op het elektrische veld van een golf is een theoretisch proces dat bekend staat als Landau-demping, voor het eerst voorgesteld door de Russische natuurkundige Lev Landau in 1946. Door middel van numerieke simulaties en wiskundige modellering toonden de onderzoekers aan dat de resultaten van hun experiment overeenkwamen met de voorspelde signatuur voor Landau-demping.

De overeenstemming van experiment, simulatie en modellering levert het eerste directe bewijs dat Alfven-golven versnelde elektronen kunnen produceren, waardoor de aurora ontstaat, zegt Troy Carter, hoogleraar natuurkunde aan de UCLA en directeur van het UCLA Plasma Science and Technology Institute.

"Dit uitdagende experiment vereiste een meting van de zeer kleine populatie elektronen die met bijna dezelfde snelheid door de LPD-kamer bewogen als de Alfven-golven, minder dan één op de duizend elektronen in het plasma", zegt Carter.

Auteur: Jan Vyvey
Bron: Universiteit van Iowa

(*) Het grote plasmatoestel (vaak voorgesteld als LArge Plasma Device of LAPD) is een experimenteel fysica-apparaat aan de UCLA. Het is ontworpen als een algemeen laboratorium voor experimenteel plasmafysica-onderzoek. Het apparaat werd gebouwd begin 1991 en werd in 2001 opgewaardeerd naar de huidige versie. De moderne LAPD wordt gebruikt als het primaire apparaat voor een nationale gebruikersfaciliteit, de Basic Plasma Science Facility (of BaPSF), die wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, Fusion Energy Sciences en de National Science Foundation. De helft van de gebruikstijd van het apparaat is beschikbaar voor wetenschappers van andere instellingen en faciliteiten die kunnen strijden om tijd door middel van een jaarlijkse aanvraag. Bron: Wikipedia