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 het noorderlicht, de kleurrijke en oogverblindende lichtshow (ook wel aurora borealis genoemd in het noordpoolgebied en aurora australis in het zuidpoolgebied), begint in de corona van de zonneatmosfeer. De temperatuur van deze laag is extreem hoog. Terwijl de temperatuur van de fotosfeer (die we beschouwen als het oppervlak van de zon, omdat dit het deel is dat we met licht kunnen waarnemen) ongeveer 6000 Kelvin bedraagt, ligt de gemiddelde temperatuur van de corona tussen de 1 en 2 miljoen Kelvin als gevolg van de 'paradox van coronale verhitting'. Deze hoge temperatuur maakt de corona tot een laag superheet plasma. De zonnewind, bestaande uit zeer energierijke, elektrisch geladen deeltjes (zoals elektronen, protonen, alfadeeltjes en zware ionen), stroomt continu vanuit de corona 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 25 en 26 december 2022 werd een atypisch poollicht vastgelegd door grondcamera's in het Arctische gebied, toen de zonnewind bijna was verdwenen. Het waargenomen poollicht was uniform en gigantisch groot. Het leek niet op een typisch poollicht. Een typisch poollicht is een kleurrijk, oogverblindend lichtspel met een dynamisch patroon van regenboogachtige lichten. Het kan verschijnen als gordijnen, stralen, spiralen of als veranderende flikkeringen. Theta-poollicht heeft de vorm van de Griekse letter theta (een ovaal met een lijn door het midden) wanneer het vanuit de ruimte door satellieten wordt waargenomen. Theta-poollicht wordt ook wel 'transpolaire bogen' genoemd vanwege de grote bogen die er van bovenaf gezien uitzien. ' Zon-georiënteerde bogen ' zijn kleine en zwakke poollichtbogen die worden waargenomen door observatoria op de grond. Eén uiteinde van de bogen is gericht naar de zon, vandaar de naam ' zon-georiënteerde 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.
De satellietbeelden lieten zien dat het poolkapgebied aanvankelijk volledig leeg was. Op 25 december begon het poolkapgebied zich te vullen met een zwakke, diffuse aurora . Vervolgens werd vrijwel het gehele poolkapgebied al snel bedekt door intense, maar minder gestructureerde emissies. Deze grootschalige vulling van de poolkap met diffuse aurora duurde ongeveer 28 uur. De intense emissie in de poolkap begon op de ochtend van 26 december af te nemen en binnen enkele uren 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.
Optische metingen vanaf een grondstation in de Arctische stad Longyearbyen op 25 en 26 december toonden aan dat elektronen met hoge energie (>1 keV) de belangrijkste component van de elektronenneerslag vormden. Ook de satelliet observeerde een instroom van elektronen met hoge energie. Hierdoor was het noorderlicht vanaf de grond zichtbaar als heldere groenachtige 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
***
