Parallel electric fields in space

1
Hur uppstår norrsken?
Institutet för Rymdfysik DocenturnämndensReprese
ntant Prof. Ulrik GeliusFysiska
Institutionen Ämnesrepresentant Prof. Mats
AndréInstitutet för Rymdfysik
Docent föreläsning av
Annika Olsson 2 juni 2004, Ångströmlab.
2
Innehåll

• Introduktion FAQ
• Grundförutsättningar
• Polar data
• Stabilt norrsken
• Aktivt norrsken
• Sammanfattning

3
Norrsken Hemvist för de döda eller högre
makter?
4
Vad beror norrskens-strålarna på?
5
Varför går bågarna i öst-västlig riktning?
vilken utbredning har de?
6
Vad orsakar färgerna i norrskenet?
7
Varför ser norrsken olika ut på dygnet?
8
Solfläckar

• observationer från 1700- talet

• och nu

9
11-års cykel
Sol minimum
Sol maximum
10
Norrsken och solaktivitet
Det finns ett samband mellan solfläckar och
norrsken
11
Förutsättningar för norrsken
Sol
?

• Solen är den ursprungliga energikällan,
• men hur sker kraftöverföringen?

12
Jordens magnetfält

• Jorden omges av ett magnetiskt dipolfält

13
Magnetiska variationer och norrsken
Magnetfältstörningar upp till 3 av det
jordmagnetiska fältet under norrsken
14
Norrskenstrålars förklaring
1800-talet gav fysiken - magnetfält och norrsken
Magnetiska fält styr laddade partiklar, (men
vilka är partiklarna, och vilken är deras roll i
norrskenprocessen?)
15
Norrskensoval, förklaring till öst-västlig
utbredning
Norrsken centrerat kring magnetiska nordpolen
bildar en sk norrskensoval -jordens
gloria Sydsken bildar på samma vis en
sydskensoval
16
Norrskensoval jordens gloria
Satellitbild av en ständigt aktiv
norrskenoval
Norrsken kan ibland beskådas av Uppsalabor
17
Rymdskyttelbild av norrskensoval

18
Polvandringar
Nutida studier av stelnade lavor ger ledtrådar om
norrskensovalens läge för 2000 år sedan!
Polvandring 800-talets Östra Arosbor såg mycket
norrsken ! Polvändning Intervaller om 300 000
år Senaste 780 000 år
19
Förutsättningar för norrsken

• Magnetiskt fält

• ?

• sol

Slutsats Ett planetärt magnetfält styr laddade
partiklar och orsakar norrsken ...men hur, och
vilka är partiklarna?
20
Norrskensfärger
Norrskenet har ett linjespektrum
Norrsken kommer från en lysande gas
(atmosfären),

• Excitationen orsakas av laddade partiklar
  parallella med magnetfältet, men vilka är
  partiklarna?

21
Förutsättningar för norrsken

• atmosfär

• Magnetiskt fält

• ?

• sol

• Slutsats Atmosfären är den bildskärm där
  norrskensljuset uppstår,
• men vilka laddade partiklar orsakar excitationen?

22
Sondraketer och satelliter
23
Data från sondraket
Energirika elektroner relaterade till norrsken
(inverterat-V)
24
Plasma- det fjärde tillståndet
Rymdåldern - norrskensforskning blir forskning om
plasmafysik
25
Plasma - joniserad gas

• Plasmafysik - med rymden som laboratorium

26
Förutsättningar för norrsken

• atmosfär

• plasma

• Magnetiskt fält

• sol

• ?

• Slutsats Elektroner som kan krocka med
  atmosfären behövs för att alstra norrskensljus

27
Solutbrott

• Solutbrott - 2 dygn senare utbredda norrsken

densitet 0.1 10 part./cm3 temperaturer upp
till 100MK
28
Förutsättningar för norrsken !

• atmosfär

• plasma

• solvind

• magnetiskt fält

• sol

• Slutsats Solvinden, är det kraftöverföringssystem
  som kan
• bära energin från källan till plasmapartiklarna.

29
Norrsken universellt
30
Hur accelereras elektronerna till så höga
energier?
Magnetfält
Elektriska fält
Uppåtgående strömområde
Jon stråle
Elektroner
Inverterat-V
31
Potential drop peoples norrskens modell
Magnetfält
AKR
Uppåtgående strömområde
Kaviteter
Jon stråle
Elektriska fält
Elektroner
Inverterat-V
32
Potential drop peoples norrskens modell
Elektroner
Magnet fält
Nedåtgående strömområde
Uppåtgående strömområde
Kaviteter
Jon stråle
Elektriska fält
Elektroner
Inverted-V
33
Potential drop peoples norrskens modell
Elektroner
Magnetfält
Nedåtgående strömområde
Uppåtgående strömområde
kaviteter
Jon stråle
Elektriska fält
elektroner
Inverted-V
34
Hur sluts potentialstrukturen?

• Polar satellit data 1996-2001, 5000-30000 km höjd
  
• Beroende av R, MLT, ILAT, Kp, säsong, sol cykel

?

• Polar

• Viking

• FAST

• Freja

35
Resultat (stabilt norrsken)-gt kooperativ modell
Kaviteter
Elektriska fält
Vågor
Jon strålar
elektroner
Inverterat-V
norrsken
36
Resultat (stabilt norrsken)-gt kooperativ modell
Jon skal
Bernstein vågor
3.5 RE
Kaviteter
Elektriska fält
Elektron anisotropi (100-1000 eV)
Vågor
Jon strålar
elektroner
Inverterat-V
norrsken
37
Resultat (aktivt norrsken)- kooperativ modell
Alfvèn våg
Substorm
38
Resultat (aktivt norrsken)- kooperativ modell
Alfvèn våg
kaviteter
5 RE
4 RE
Elektriskt fält
3.5 RE
Substorm
39
Resultat (aktivt norrsken)- kooperativ modell
Alfvèn våg
Alfvèn våg
Substorm onset
3.5 RE
Dot-AKR
Substorm
40
Resultat (aktivt norrsken)- kooperativ modell
Alfvèn våg
Under/efter substorm onset
VAVe
3.5 RE
Alfvèn våg
Alfvén Resonosphere
Substorm
41
Sammanfattning

• Grundförutsättningar för norrsken
• sol, solvind, plasma, magnetosfär, atmosfär

• Egna kompletteringar
• Stabilt norrsken jonskal-gt Bernsteinvågor-gte-
  anisotropi -gt sluten potentialstruktur (O
  -potential)
• Aktivt norrsken Som i stabila fallet Alfvèn
  vågor
• (diagnostikum dot-AKR 2-3 RE, Alfvèn
  resonosfären 4-5 RE)

42
Fortsättning följer ...
43
Norrskenet i siffror