Een oude theorie over het ontstaan van het grootste lichtspektakel op aarde, is eindelijk experimenteel onderbouwd. Elektronen surfen op plasmagolven, zoals surfers op een zeegolf. Deze golven versnellen de elektronen, waardoor er veel energie vrij komt als ze botsen op deeltjes hoog in de atmosfeer. Dat zien wij als het noorderlicht.

Onderzoek naar het noorderlicht in de ruimte is lastig. Daarom hebben Amerikaanse onderzoekers in een laboratorium het ontstaan van het noorderlicht nagebootst. Dit onderzoek onderbouwt voor het eerst de theorie dat het lichtspektakel ontstaat doordat plasmagolven daarop surfende zonnedeeltjes versnellen, zodat ze met hoge snelheid op deeltjes in de atmosfeer botsen.

Surfen op plasma

Aurora borealis, ook wel het noorderlicht of poollicht genoemd, wordt veroorzaakt door zonnedeeltjes die onze atmosfeer binnendringen. Zonnevlammen slingeren deze geladen deeltjes de ruimte in, soms richting de aarde. De aarde is daardoor omgeven door een ijle mix van negatief geladen elektronen en positief geladen protonen. Dit wordt een plasma genoemd.

Hoe mRNA de behandeling van ziekten verandert, van griep tot kanker
LEES OOK
Hoe mRNA de behandeling van ziekten verandert, van griep tot kanker

Het magnetische veld van de aarde houdt die deeltjes tegen. Dat ‘schild’ omspant de aarde als een enorme magnetische ‘bel’. Doordat ze geladen zijn kunnen de zonne-plasmadeeltjes alleen langs de magnetische veldlijnen bewegen. 

Bij de Noord- en Zuidpool prikken de magnetische veldlijnen door de atmosfeer. Langs die veldlijnen stormen de zonne-elektronen recht op de aarde af. In de atmosfeer botsen ze op luchtdeeltjes, zoals zuurstof- en stikstofmoleculen. Daarbij komt energie vrij dat wij zien als prachtige lichtgordijnen. Als de elektronen met hoge snelheid botsen op zuurstofdeeltjes geeft dat groen licht, met relatief lage snelheid rood licht. Soms botsen de surfende elektronen met stikstof, wat een zeldzaam blauw licht oplevert.

Alfvéngolven lopen over magnetische veldlijnen die de aarde omringen (rood). Bij de polen komen de veldlijnen recht op de aarde af. Zonnewindelektronen worden door de Alfvéngolven steeds meer versneld. Door deze snelheid komt er energie vrij in de vorm van licht als de elektronen botsen met deeltjes in de atmosfeer. Dit is het noorderlicht. Beeld: NASA / Goddard / Aaron Kaas. CC3.0.

Razendsnel mysterie

Bij zo’n botsing komt alleen energie vrij in de vorm van licht als de deeltjes een voldoende hoge snelheid hebben. Tot nu toe was het niet duidelijk hoe zonnedeeltjes die snelheid kregen. In 1937 stelde de Zweedse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Hannes Alfvén dat plasmagolven de zonnedeeltjes deze snelheid kunnen geven. Door zonnewind kunnen rimpelingen ontstaan in het plasma, langs de magnetische veldlijnen, net als wanneer de wind over zee blaast en zo golven opwekt.

Deze plasmagolven, de zogeheten Alfvéngolven, zijn er altijd, maar door zonne-uitbarstingen worden ze groter, net als golven op zee tijdens een storm. Deze golven dragen de energie van hun snelheid over aan de erop surfende elektronen, waardoor deze steeds sneller gaan. De elektronen kunnen zo een snelheid van 72 miljoen kilometer per uur bereiken. Bij de polen worden de Alfvéngolven steeds hoger, net als een zeegolf bij de branding, waardoor de surfer nog meer versnelt.

Alleen als de elektronen met een uitermate hoge snelheid op deeltjes in de atmosfeer botsen, komt er energie vrij in de vorm van licht. Dit betekent dat er hoge plasmagolven nodig zijn. Die vind je normaal gesproken alleen bij de polen. Daarom is het noorderlicht in Nederland een zeldzaam verschijnsel. Als we helder noorderlicht zien in Nederland, is dat dus een teken dat er bijvoorbeeld een krachtige explosie op de zon is geweest.

Satellieten vliegen te snel door het flinterdunne noorderlicht, waardoor astronauten de elektronversnelling niet kunnen meten in de ruimte. Bemanning van het International Space Station zag deze Aurora in 2011 boven Australië. Beeld: Flickr / NASA’s Earth Observatory / CC2.0.

Noorderlicht op aarde

Alfvéns theorie uit 1937 was tot nu toe onbewezen, aangezien onderzoek in de ruimte lastig is. Amerikaanse onderzoekers van de Iowa-universiteit hebben nu voor het eerst de theorie experimenteel onderbouwd. Universitair docent natuurkunde James Schroeder analyseerde of elektronen inderdaad kunnen ‘surfen’ op Alfvéngolven.

Daartoe hebben ze in een laboratorium Alfvéngolven nagebootst. Een speciale antenne lanceerde Alfvéngolven door een elektromagnetisch veld in een langwerpige kamer waarin een plasma was opgewekt, een Large Plasma Device. Een deel van de plasma-elektronen had genoeg snelheid om mee te surfen op de Alfvéngolven. Sondes registreerden de snelheid van de golven en de surfende elektronen. Zo konden de onderzoekers meten hoe deze golven hun energie overdragen aan de elektronen. Hun bevindingen komen overeen met computermodellen en wiskundige berekeningen: de Alfvéngolven kunnen elektronen dusdanig veel energie geven, dat ze het noorderlicht kunnen produceren.

‘Dit is de eerste keer dat de golven in een lab zijn nagebootst – heel indrukwekkend’, zegt hoogleraar ruimteplasma Clare Watt aan de Britse Northumbria-universiteit. ‘Alfvéngolven namaken is lastig omdat het van zo veel ruimteweerfactoren afhangt. We zien nu in het lab dat de verwachte versnelling inderdaad mogelijk is.’

Met dit onderzoek is weliswaar het achterliggende principe bewezen, maar er resten nog veel vragen. ‘In werkelijkheid zijn de golven veel complexer dan in het lab nagebootst kan worden’, zegt Watt. ‘Met betere ruimtemetingen en computermodellen kunnen we misschien ooit het noorderlicht volledig begrijpen.’

ONBEWEZEN THEORIE
Onderzoek naar het noorderlicht begon al tijdens de Verlichting. Pas in de vorige eeuw kreeg de theorie vorm. De gevierde Noor Kristian Birkeland dacht in 1908 dat een straal negatief geladen deeltjes, de ‘Birkelandstromen’, verantwoordelijk was voor aurora’s. ‘Maar deze stromen kunnen onmogelijk voor een lichtshow zorgen, omdat negatief geladen deeltjes elkaar afstoten’, zegt Robert Marc Friedman, hoogleraar noorderlichthistorie aan de Universiteit van Oslo.

Alfvén kwam dichter in de buurt van het noorderlicht mysterie. Hij stelde in 1937 dat plasmagolven elektronen voortstuwen, die daardoor versnellen en het noorderlicht veroorzaken. Maar aangezien directe ruimtemetingen lastig zijn, bleef het bij een theorie.

Alfvéngolven zijn flinterdun, vertelt hoogleraar ruimteplasma Clare Watt. Satellieten vliegen er met grote snelheid doorheen, waardoor je maar heel kort kunt zien wat er gebeurt. ‘In de ideale wereld zouden er tien satellieten boven een aurora zweven, maar dat gaat niet gebeuren’, lacht Watt. Nu zijn Alfvéngolven experimenteel nagebootst, waardoor de Alfvéntheorie eindelijk kan worden onderbouwd.

Aurora borealis gezien van uit het Noorse Kvaløya-eiland. Beeld: Tiedederivate work. Scanmap. CC2.0.