Skip to main content

Fotografie en modellering van poollicht in meerdere golflengten

Research Topic Chapter
News flash intro
Ondanks verschillen in hun atmosfeer en magnetosfeer wordt poollicht waargenomen bij alle hemellichamen met een magneetveld in ons zonnestelsel. In het kader van het BRAIN-Be project MOMA (Multi-wavelength Observations and Modelling of Aurora) bestuderen we de UV-straling, het zichtbare licht en radiogolven geproduceerd door poollicht op Aarde, aan de hand van zowel waarnemingen als modelberekeningen. Zo hopen we klaarheid te scheppen over de natuurkundige processen die een rol spelen bij de vorming van poollicht. Meer in het algemeen willen we de ruimte rondom de aarde beter begrijpen met het oog op het ruimteweer.
Body text

Poollicht

Het fenomeen van aurora, beter bekend als poollicht, kan voorkomen op elke planeet met een atmosfeer en een magneetveld. Elektrisch geladen deeltjes met hoge energie (meestal elektronen) worden vanuit de magnetosfeer versneld langsheen de magnetische veldlijnen en botsen met de neutrale gassen in de hoge atmosfeer. Wanneer de aangeslagen atmosferische atomen of moleculen terugkeren naar hun grondtoestand zenden ze licht uit, wat poollicht veroorzaakt.

De kleur van dit licht hangt af van het soort atoom of molecule. In de aardatmosfeer worden de groene en rode emissielijnen, respectievelijk met een golflengte van 557.7 en 630 nm, veroorzaakt door atomair zuurstof op hoogtes van ~110 en 220 km. Sommige energetische elektronen kunnen diep doordringen in de atmosfeer, tot beneden 100 km, en daar moleculair stikstof aanslaan, wat blauw (427.8 nm) en paars licht veroorzaakt.

Poollicht is niet beperkt tot zichtbaar licht:

  • Emissie in het UV ontstaat op precies dezelfde manier als voor zichtbaar licht.
  • De wisselwerking tussen de geladen deeltjes en elektromagnetische golven op grote hoogte kan ook radiostraling veroorzaken, de zogenaamde aurora-kilometerstraling (Auroral Kilometric Radiation, AKR)

Waarnemingen, technieken en modellen

Met poollichtfoto’s van het ALIS (Auroral Large Imaging System) camera-netwerk in Scandinavië zijn we erin geslaagd om de driedimensionale verdeling van de lichtproductie (volume emission rate, VER) in poollicht te reconstrueren door middel van tomografie (een wiskundige inversietechniek).

De blauwe emissie blijkt recht evenredig te zijn met de hoeveelheid energie die de elektronen dumpen in de atmosfeer, zonder dat daarbij chemische effecten of secundaire processen een rol bij spelen. Dat laat ons toe om de differentiële flux te bepalen van de elektronen die de atmosfeer bombarderen (het aantal elektronen bij elke mogelijke energie). Deze flux kan worden afgeleid uit de tomografisch gereconstrueerde volumetrische emissie tussen ~100 en 260 km hoogte, door gebruik te maken van een tweede inversietechniek. Deze methode resulteert in een tweedimensionale kaart van de flux van de elektronen die op de aardatmosfeer invalt, en dat terwijl metingen met ruimtetuigen slechts één-dimensionaal zijn (metingen langsheen de baan van de satelliet).

De elektronenflux op 260 km kan gebruikt worden als randvoorwaarde in het magnetosfeer-ionosfeer model ontwikkeld door het BIRA. De plasma-eigenschappen van de generator van het poollicht in de magnetosfeer, de bron van de elektronen, kunnen daardoor op een indirecte wijze worden bepaald.

De optimisatie-procedure die we hiervoor hebben uitgedokterd, werd met succes uitgetest en laat inderdaad toe om de eigenschappen van een verafgelegen magnetosferische bron (~24 000 km boven de aarde) af te leiden. Deze elektronenbron kanaliseert de energie die nodig is om het poollicht dat door de ALIS-camera’s waargenomen wordt, te doen oplichten. Dit soort analyses zal zeer goed van pas komen wanneer we in de nabije toekomst de flux van energetische elektronen in bijna reële tijd gaan bepalen met het nieuwe ALIS_4D netwerk, of de UV-poollichtfoto’s door de toekomstige ESA/CAS missie SMILE (Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer) willen interpreteren.

 

Dankbetuiging

Dit onderzoek werd uitgevoerd in het kader van MOMA, een project gesponsord door het BRAIN-Be onderzoeksprogramma gedurende de periode 2016-2020.

Figure 2 body text
Figure 2 caption (legend)
Volumetrische lichtproductie, gereconstrueerd voor blauw licht bij 427.8 nm door middel van tomografie op basis van de ALIS foto’s van een poollicht-boog. Projectie op 110 km hoogte in functie van geografische lengte en breedte (links) en een dwarsdoorsnede in functie van breedte en hoogte, in het vlak waarin de nabijgelegen UHF EISCAT radar gelegen is (rechts).
Figure 3 body text
Figure 3 caption (legend)
Bepaling van de eigenschappen van de bron van het poollicht. De methode evalueert een aantal mogelijke configuraties van de bron van het poollicht in de magnetosfeer, door een set aannemelijke waarden voor de eigenschappen van de bron te kiezen. Elke keuze wordt geëvalueerd met het BIRA magnetosfeer-ionosfeer model door te berekenen hoe de flux van elektronen eruit zou zien. De methode kiest dan het stel eigenschappen dat het best overeenkomt met de waarnemingen (bv. waarnemingen door ALIS of vanuit een satelliet). De figuur toont enkele curves die bekomen worden met het magnetosfeer-ionosfeer model voor verschillende eigenschappen van de bron. Van boven naar beneden geeft de figuur de flux van de elektronen, de elektrische potentiaal die de elektronen versnelt, de elektrische stroomdichtheid, en de totale hoeveelheid energie die in de ionosfeer terechtkomt en daar de elektrische geleidbaarheid beïnvloedt. Tegelijk worden enkele metingen door de satelliet DMSP F15 getoond.