Det svarta norrskenet

Norrsken uppkommer mellan 100 och 200 kilometer ovanför jordytan. Där tränger intensiva skurar av elektroner in i de övre delarna av jordens atmosfär och kolliderar med den tunna luften. Eftersom atmosfärens sammansättning av atomer och molekyler ändras med höjden, och elektronerna når längre ner i atmosfären ju högre energi de har, får norrskenet olika färger på olika höjder.

Högre upp uppstår rött ljus, och längre ner är norrskenet vanligtvis grönt. Men det ljusspektakel som vi kan se från marken är faktiskt bara en liten del av norrskenets ovaler som ringlar runt var sin av jordklotets båda magnetiska poler. (Skenet runt södra polen kallas för övrigt ofta sydsken.)

Betydligt mindre känt är det svarta norrskenet, områden utan ljus som följer det ljusa norrsken som vi ser. Likt en norrskenets negation har det svarta norrskenet många egenskaper som är precis motsatta den ljusa tvillingens.

Eftersom det svarta norrskenet är mörkt, kan det på natten urskiljas bara om det omges av norrskensstrålar. Men det svarta norrskenet är långt ifrån bara ett passivt avtryck av den ljusa sidan – det utmärker sig av minst lika mycket aktivitet som det synliga norrskenet. I båda fallen är det atmosfärens elektroner som gör jobbet, men i stället för att fara neråt mot jordatmosfären som hos det lysande norrskenet, rör sig elektronerna hos det svarta norrskenet uppåt, bort från jorden. Kvar blir mörka områden, stråk där det jämfört med omgivningen råder brist på elektroner.

Elektronerna snabbast i mörker

Länge har fenomenet svart norrsken ansetts udda, men nya observationer från den svenska satelliten Freja, som sändes upp 1992, väckte vårt intresse. I vissa områden upphörde nämligen de intensiva nedåtriktade elektronskurarna plötsligt och ersattes av uppåtriktade elektronstrålar. Även de elektriska och magnetiska fälten hade motsatt riktning mot vad vi var vana vid att se ovanför norrskenet. Vår tolkning var att allt detta måste höra ihop med det svarta norrskenet. Men vi hade inte samtidiga kamerabilder från området direkt under Freja som skulle ha kunnat belägga kopplingen.

Vi fann vidare att elektronerna som flyr bort från jorden längs magnetfältslinjerna hade accelererats uppåt av spänningsfall på uppemot tre tusen volt. Ju mörkare den övre atmosfären var, och därmed fattigare på elektroner, desto högre energi hade elektronerna. Det var speciellt nära midvintersolståndet och nära midnatt, då atmosfären på norra halvklotet är som mörkast, som spänningsfallen var som störst och elektronerna hade högst energi.

Tidigare hade man trott att den uppåtriktade elektronströmmen i den övre elektriskt ledande delen av atmosfären (även kallad jonosfären) bärs av många elektroner med låg energi och därmed hastighet. Tvärt emot detta visade det sig att tillgången på elektroner snabbt avklingar just på grund av de uppåtriktade elektronflödena och att strömmen med tiden bärs av ett fåtal men mycket snabba och alltså energirika elektroner. Genom att alstra starka elektriska spänningsfall, som ökar hastigheten på elektronerna i motsvarande grad som deras antal minskar, ser alltså naturen till att upprätthålla strömmen även när tillgången på laddningsbärare har minskat.

Processen är en spegelbild av vad som försiggår ovanför norrskenet där elektronerna dras neråt. Med satellitdata från Freja framstod det för första gången tydligt att dessa två fenomen, norrskenet och det svarta norrskenet, är två sidor av samma mynt, att de är intimt sammankopplade i ett system av elektronströmmar som flyter in till och ut från den övre atmosfären.

Elektroner som accelereras nerför magnetfältslinjerna och tänder norrskensljuset hänger sålunda ihop med systemets förgrening uppåt, samtidigt som uppåtströmmande elektroner ger upphov till den nedåtgående strömmen. De bägge motriktade strömmarna är sammanlänkade i övre atmosfären genom en horisontell ström till en sluten strömkrets. I båda grenarna av detta strömsystem uppstår dessutom spänningsfall när det råder brist på elektroner; ju färre elektroner, desto högre spänningsfall. Vad är det som driver detta?

Solen driver på

Det är jordens magnetfält som dirigerar trafiken, men den yttersta motorn för detta stora system är solvinden. Den består av ett stadigt flöde av elektriskt laddade partiklar, mest elektroner och protoner, som kastas ut från solen med hastigheter på omkring 400 kilometer i sekunden. Vi är för det mesta skyddade från dessa oerhörda partikelskurar från solen genom jordens magnetfält.

Men när solvinden når den magnetiska skölden som omger vår planet ger den upphov till elektriska strömmar, och det är alltså dessa som ligger bakom de olika formerna av norrsken. Växelverkan mellan solvinden och jordens magnetiska fält ger även upphov till många andra komplicerade fenomen som flitigt studeras.

Norrskenet rör sig ständigt, och elektrontätheten inuti norrskenet varierar avsevärt både i tid och rum. Även de starka elektriska fälten i jordatmosfären högt ovan norrskenet skiftar snabbt, varför enstaka satellitmätningar inte kan förse oss med tillräcklig information. Hur svarar spänningsfallen ovanför norrskenet och det svarta norrskenet på ökningen respektive minskningen av elektronkoncentrationen som beror av de infallande respektive flyende elektronskurarna? På en höjd av 100 till 200 kilometer tar det bara sekunder eller minuter att ändra elektronkoncentrationen. Och dessa hänger i sin tur ihop med styrkan på det elektriska fältet högre upp i atmosfären. Hur varierar den?

Vi vet att styrkan på det elektriska fältet växlar med årstiden och med tiden på dygnet, men att också många andra faktorer spelar in.

Växlar snabbt

Sommaren år 2000 lyfte fyra identiska satelliter: Clustersatelliterna Rumba, Salsa, Samba och Tango, för att några år framöver gå i starkt elliptiska banor kring jordklotet. Det betyder att deras höjd över markytan varierar. På så sätt fick vi tillgång till mätningar som nu ger oss insyn i hur norrskenets elektriska aktivitet utvecklas med tiden.

Den 14 januari 2001 passerade de fyra satelliterna med cirka 100 sekunders mellanrum högt ovanför ett område med svart norrsken. Dess kännetecken på hög höjd är intensiva och energirika skurar av elektroner på väg bort från jordatmosfären, en nedåtriktad ström som bärs av de flyende elektronerna och elektriska spänningsfall som stämmer överens med energin hos elektronerna.

Denna typ av spänningsfall som driver elektronströmmar ut från jordatmosfären i området med svart norrsken, och som tidigare hade upptäckts av Freja, kunde vi nu äntligen följa under en hel livscykel. Vi fann att livscykeln på några hundra sekunder var jämförbar med den tid som de uppåtriktade elektronflödena behöver för att tömma det svarta norrskensområdet på elektroner. Det är vad den sista Clustersatelliten, Tango, noterade vid passagen: hela accelerationsstrukturen hade försvunnit, varken elektronerna eller det elektriska spänningsfallet fanns kvar där det svarta norrskenet hade brett ut sig bara hundra sekunder tidigare!

Samtidigt kunde vi observera att den nedåtriktade och från början koncentrerade elektriska strömmen plötsligt breddades tiofalt. Vi tolkar detta så att accelerationsstrukturen hade gjort sitt och upphört när elektronerna sinade. Naturens enda sätt att vidmakthålla strömmen är då att bredda strömområdet. På så sätt kunde laddningsbärarna hämtas från närliggande områden där elektrontillgången fortfarande var intakt.

Norrsken – en energikittel

Med de fyra Clustersatelliterna kunde vi följa det svarta norrskenet under dess uppkomst och fall. Men många frågor kring hela processen återstår. Hur exakt hänger lysande norrsken och svart norrsken ihop? Har tidsutvecklingen hos det svarta norrskenet direkt inverkan på tidsutvecklingen hos det ljusa norrskenet? Hur fungerar generatorn som driver norrskenets strömkrets?

Utöver de mer eller mindre stationära spänningsfallen vet vi att norrskenpartiklarna också vinner energi genom växelverkan med vågor högt ovanför atmosfären, som de så kallade Alfvénvågorna. Hur fungerar de mekanismer som låter norrskenspartiklarna öka sin energi? Och slutligen en mer allmän fråga som vi gärna skulle vilja reda ut: på vilket sätt transporteras energi till och från jordatmosfären i samband med norrsken?