Er is bevestigd dat de gigantische uniforme aurora, gezien vanaf de grond in de kerstnacht van 2022, polaire regen-aurora is. Dit was de eerste waarneming vanaf de grond van poolregen-aurora. In tegenstelling tot de typische aurora die wordt aangedreven door de invallende elektronen die zijn opgeslagen in de magnetostaart van de magnetosfeer van de aarde, wordt de polaire regenaurora gevormd door elektronen die rechtstreeks van de zonnecorona naar de poolgebieden van de aarde reizen langs open magnetische veldlijnen om te culmineren in ‘polaire regen”-elektronenprecipitatie die aanleiding geeft tot optische emissies bij interactie met zuurstof- en stikstofatomen in de atmosfeer.
Het verhaal van aurorae, de kleurrijke oogverblindende lichtshows (in het noordpoolgebied noorderlicht of aurora borealis genoemd en zuiderlicht of aurora australis in het zuidpoolgebied) begint in de coronale laag van de zonneatmosfeer. De temperatuur van deze atmosferische zonnelaag is extreem hoog. Terwijl de temperatuur van de fotosfeer laag (dat wordt behandeld als oppervlak van de zon omdat dit is wat we met licht kunnen waarnemen) is ongeveer 6000 Kelvin, de gemiddelde temperatuur van corona ligt tussen de 1 en 2 miljoen Kelvin vanwege de 'Coronal Heating Paradox'. Een dergelijke hoge temperatuur maakt van de corona een laag oververhit plasma. Zonnewind bestaande uit zeer energetische elektrisch geladen deeltjes (zoals elektronen, protonen, alfadeeltjes en zware ionen) komt voortdurend uit de coronale laag in alle richtingen, ook in de richting van de aarde.
De heenreis van de energetisch geladen deeltjes van de zon naar de aarde is niet eenvoudig en ongecompliceerd. Normaal gesproken worden de geïoniseerde deeltjes afgebogen door het magnetische veld van de aarde (magnetosfeer), waardoor levensvormen en elektrische systemen op aarde onaangetast blijven door de schadelijke effecten van de zonnewind.
In het geval van een massale uitstoting van geladen deeltjes uit de zon, zoals in het geval van Coronal Mass Ejection (CME's), raakt de magnetosfeer van de aarde echter overweldigd en ontstaat er een magnetische storm. De storm zet de magnetosfeer onder druk totdat deze terugspringt en een deel van de geladen deeltjes naar de aarde slingert.
De terugtrekkende band van het magnetische veld sleept de elektronen in de zonnewind naar beneden naar poolgebieden waar aurorae 100-300 km boven het oppervlak in de bovenste atmosfeer worden waargenomen. De bijdrage van protonen en andere ionen in de zonnewind aan de vorming van poollicht is verwaarloosbaar.
Aurora bestaat in principe uit optische emissies van zuurstof- en stikstofatomen die worden opgewonden door energetische elektronen die uit de magnetosfeer neerslaan langs de gesloten magnetische veldlijnen van de aarde (energetische elektronenprecipitatie of EEP verwijst naar de afzetting van energie van elektronen in de atmosfeer). De interactie van energetische elektronen met zuurstof in de atmosfeer is verantwoordelijk voor groene en rode kleuren, terwijl interactie met stikstof leidt tot de productie van blauwe en dieprode tinten.
De vorming van aurora wordt dus aangedreven door de invallende elektronen die zijn opgeslagen in de magnetostaart (het gebied van de magnetosfeer van de aarde dat door de zonnewind in een enorme staart wordt geveegd in de richting weg van de zon). De elektronen die in de magnetosfeer zijn opgeslagen, worden van energie voorzien door de kracht van de zonnewind en slaan vervolgens in uitbarstingen in de atmosfeer neer in de poolgebieden, waar aurora ontstaat.
Poolregen Aurora
In zeldzame gevallen wordt poollicht echter gevormd doordat elektronen rechtstreeks van de zonnecorona naar de poolgebieden van de aarde reizen langs open magnetische veldlijnen, om te culmineren in elektronenprecipitatie in de “polaire regen”. Dergelijke elektronenprecipitatie blijkt intens te zijn wanneer de zonnewinddichtheid laag is. De optische emissies veroorzaakt door dergelijke elektronen zijn zwak en de gevormde aurora wordt “polaire regenaurora” genoemd.
De poolregen-aurorae zijn enkele malen vanuit de ruimte door satellieten waargenomen. Er werd echter nooit een geval ontdekt door faciliteiten op de grond.
Op 25th-26th In december 2022 werd een atypische aurora vastgelegd door camera's op de grond in het Noordpoolgebied, toen de zonnewind bijna was verdwenen. De waargenomen aurora was uniform en gigantisch groot. Het leek niet op een typische aurora. Een typische poolkap-aurora is een kleurrijke oogverblindende lichtshow met een dynamisch patroon van regenboogachtige lichten. Het kan verschijnen als gordijnen, stralen, spiralen of als wisselende flikkeringen. Theta-aurora lijkt op de Griekse letter theta (een ovaal met een lijn die door het midden loopt) wanneer het van bovenaf door satellieten wordt waargenomen. Theta aurorae worden ook wel genoemd 'transpolaire bogen' vanwege het verschijnen van grootschalige bogen, gezien van bovenaf. 'Zongerichte bogen.' zijn kleine en vage poollichtbogen die worden waargenomen vanuit observatoria op de grond. Het ene uiteinde van de bogen is naar de zon gericht en wordt daarom 'Zongerichte bogen. '
De aurora die tijdens de kerstnacht van 2022 werd waargenomen, was glad, diffuus en gigantisch groot. Het zag er niet uit als een typische aurora en daarom werd aangenomen dat het een poolregen-aurora was. Om dit te bevestigen hebben onderzoekers dit onderzocht met behulp van satelliet- en grondgegevens.
Uit de satellietbeelden bleek dat het poolgebied in het begin helemaal leeg was. De poolkap begon op 25 mei gevuld te raken met een zwakke diffuse aurorath December. Vervolgens werd bijna het hele poolgebied al snel bedekt door intense maar minder gestructureerde emissies. Deze grootschalige vulling van de poolkap door diffuse aurorae duurde ongeveer 28 uur. De intense emissie binnen de poolkap begon op ochtend 26 te vervagenth December en binnen een paar uur was de structuur van de aurora teruggekeerd naar de normale verdeling en was de poolkap weer leeg.
Neerslag van polaire regenelektronen vindt doorgaans slechts op één halfrond plaats, afhankelijk van de oriëntatie van het interplanetaire magnetische veld (IMF). Gelijktijdige satellietbeelden toonden een volledige vulling van de poolkap op het noordelijk halfrond, terwijl de poolkap van het zuidelijk halfrond leeg was. Deze waargenomen interhemisferische asymmetrie en de verwachte oriëntatie van het IMF suggereerden sterk dat de grootschalige aurora die binnen de poolkap van het noordelijk halfrond werd gedetecteerd, een polaire regenaurora was. De interhemisferische asymmetrie werd ook gezien in de elektronengegevens. Ook was de correlatie tussen het tijdstip van het verdwijnen van de zonnewind en het vullen van de poolkap zeer goed.
De optische metingen van een faciliteit op de grond in de Artic-stad Longyearbyen op 25th -26th December toonde aan dat elektronen met hoge energie (>1 keV) de primaire component van de elektronenprecipitatie vormden. Een instroom van hoogenergetische elektronen werd ook door de satelliet waargenomen. Als gevolg hiervan was de aurora vanaf de grond zichtbaar als heldergroene emissies.
In een eerder onderzoek werd aangetoond dat de poolregen-aurora met een snelheid van 150 meter/sec tegen de zon in beweegt. In het geval van atypische aurora waargenomen tijdens de kerstnacht van 2022 gaf analyse van de optische gegevens in dwarsdoorsnede aan dat de aurora zich voortplantte in de anti-zonrichting, maar dat de aurorasnelheid, gezien vanaf de grond, twee tot drie keer sneller was.
De gigantische uniforme aurora die tijdens de kerstnacht van 2022 vanaf de grond zichtbaar was, was dus een polaire regenaurora. Dit was de eerste observatie vanaf de grond van poolregen-aurora, een uniek aspect van de complexe verbinding tussen zon en aarde.
***
Referenties:
- Hosokawa, K. c.s. 2024. Uitzonderlijk gigantische aurora in de poolkap op een dag waarop de zonnewind bijna verdween. WETENSCHAPPELIJKE VOORuitgang. 21 juni 2024. Deel 10, nummer 25. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adn5276
- SWPC, NOAA. Aurora. Verkrijgbaar bij https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/aurora
***
