Cluster synar norrskenets hemligheter

Vår egen stjärna, solen, är en välartad medelklassmedborgare i de galaktiska förorterna. Men precis som många andra medelklassmedborgare får den sina små utbrott ibland. Då kastar den ut elektroner och andra laddade partiklar i solsystemet. Dessa träffar jorden efter så lite som femton minuter. När de ränner in i jordens magnetfält uppstår via en serie processer bland annat det spektakulära norrsken vi på våra nordliga breddgrader ibland kan njuta av på kvällarna.

Det finns en lång historia i Sverige att studera norrskenet, och svenska forskare och svenska satelliter har i allra högsta grad bidragit till att rymdfysikerna i dag vet så mycket som de gör. En av dessa svenska rymdfysiker är professor Göran Marklund på KTH:s Alfvén-laboratorium. Nu har han publicerat nya resultat som berättar om de strukturer i atmosfären som är själva motorn till norrskenet. Dessa strukturer har sitt ursprung i det plasma, den joniserade gas, som omger dem.

Ett helt system av strömmar

Han har under många år intresserat sig för norrskenet och de processer som accelererar partiklar som ger upphov till norrskenet. Norrsken alstras av laddade partiklar – huvudsakligen elektroner – som i hög fart kolliderar med den övre atmosfären. Eftersom elektronerna bara kan röra sig längs det jordmagnetiska fältet så kan de också bara tränga ner i atmosfären i närheten av polerna, där magnetfältet kröker sig in mot jordytan.

På vägen ner genom atmosfären finns det elektriska potentialstrukturer som accelerera elektronerna och på så sätt ger dem en extra energiknyck.

– Dessa potentialer finns inte bara i de områden som ger upphov till norrskenet, de finns också i närliggande områden där de ger elektronerna en knuff uppåt, iväg från jordatmosfären, berättar Göran Marklund. De här strukturerna uppstår på några tusen kilometers höjd.

Norrskenet är alltså en del av ett system av strömmar – huvudsakligen av negativt laddade elektroner – som flyter till och från jorden längs dess magnetiska fältlinjer.

Svart norrsken

Naturen ser till att hålla en balans mellan antalet elektroner som är på väg mot och iväg från jorden. I närheten av norrskenet måste det därför strömma ut elektroner som motsvarar norrskenets inströmmande elektroner – norrskenets returström.

– I de här returströmmarna uppstår det optiska fenomenet svart norrsken och täthetshål, som skapas när elektronerna lämnar jordatmosfären, förklarar Göran Marklund.

Det kan vara svårt att urskilja det från det den mörka himlen, men ibland kan man se svarta slingor, spiraler och fläckar som påminner om strukturerna hos norrskenet.

Unika möjligheter med Cluster

De potentialer som driver norrskenet har olika form sett från norrskenets "ovansida". Det är symmetriska U-potentialerna och de asymmetriska S-potentialerna. Det är just dessa potentialer som Göran Marklund studerat.

– Vi har funnit att de U-formade strukturerna omges av rymdplasmaområden med egenskaper som inte skiljer sig alltför mycket sinsemellan. Det är detta som utgör förutsättningen för symmetrin. Om förhållandena i plasman ändras radikalt i området på ena sidan av strukturen så att det blir en skarp gränsyta, antar potentialstrukturen S-form. Det är alltså de asymmetriska plasmaförhållanden som är anledningen till att accelerationsstrukturen blir asymmetrisk.

ESA skickade 2000 upp de fyra Cluster-satelliterna just för att göra mätningar på jordens magnetosfär, och det är data från dessa satelliter som Göran Marklund jobbar med.

– Två av satelliterna passerade med bara 16 minuters mellanrum en potentialstruktur. Den första satelliten såg en U-formad struktur, alltså med relativt lika förhållanden på båda sidor, men 16 minuter senare så har plötsligt plasmatätheten på ena sidan drastiskt minskat, och vi ser att strukturen övergått från U-form till S-form! Vi kunde också se att strömmönstret ändrades från att vara symmetriskt till att bli asymmetriskt.

Med flera satelliter på rad efter varandra är det möjligt att följa hur accelerationsstrukturer utvecklas i tiden och hur detta kan kopplas samman med förändringar i det omgivande plasmats egenskaper.

– Det är detta som är unikt med Cluster.

Viking och Freja viktiga föregångare till Cluster

Men även svenska satelliter – Viking och Freja – har gjort bejublade insatser för att locka av norrskenet dess hemligheter.

– Viking bidrog i högsta grad till att vi fick klart för oss hur norrskenets potentialstrukturer uppstår och upprätthålls, och även vilken roll de har för acceleration nedåt av de elektroner som ger upphov till norrsken.

Frejasatellitens stora bidrag var att avslöja att accelerationspotentialer uppstår även i norrskenets returströmområde.

– Våra utländska kollegor sa innan uppsändningen att Frejasatelliten kommer gå på alldeles för låg höjd för att nå de mest intressanta områdena. Men det visade sig att Frejas bana passerade rakt igenom det höjdområde där accelerationen utspelar sig i returströmområdet.

Nästa steg för Göran Marklund blir nu att försöka förstå hur potentialstrukturerna uppstår och hur de är kopplade till jonosfären.