Hvorfor ses nordlys i en oval ring omkring nordpolen?

Svar:

Nordlys ses oftest i et bælte omkring den 67. breddegrad nord for ækvator (og sydfor, hvor det så kaldes sydlys). Bæltet, som kaldes aurorazonen, varierer i bredde, men er typisk mange hundrede kilometer bredt. Og som du siger, er det ikke helt cirkelformet, men ovalt.

Hvordan opstår denne form? Hvorfor bliver intensiteten af nordlys ikke bare større, jo tættere man kommer på nordpå?

Magnetiske og geografiske poler

Først en lille semantisk detour: En magnet har en nordpol og en sydpol, og den ene magnets nordpol tiltrækkes af den anden magnets sydpol, og omvendt. Per konvention peger en magnetnåls nordpol nordpå, omtrent mod Jordens geografiske Nordpol. Jorden set som en magnet må altså have sin magnetiske sydpol liggende oppe nordpå.

Men ofte, især på engelsk, bruger man udtrykket "den nordlige magetiske pol", eller slet og ret "den magnetiske nordpol", for den magnetpol, det ligger oppe i nærheden af Nordpolen, og den magnetiske sydpol ligger så nede ved Sydpolen. Ofte, men ikke altid. Sorry…

Lad os i denne artikel kalde det den magnetiske nordpol, hvilket altså er fysisk forkert, men nok i semantisk tråd med mere end halvdelen af litteraturen. Den ligger ikke præcis på Nordpolen, og rejser desuden lidt rundt med omkring 50 km om året. I flere hundrede år har den ligget og tværet lidt rundt i nord-Canada, men i de seneste par årtier har den fået mere fart på, og ligger faktisk ikke længere så langt fra den geografiske Nordpol.

Elektriske partikler i magnetfelter

Nordlys (og sydlys, men lad os nøjes med at snakke om nordlys) skyldes højenergetiske partikler, som kommer blæsende til os fra Solen i den såkaldte solvind, støder ind i atomer og molekyler i Jordens atmosfære (primært atomar oxygen og molekylær nitrogen), og dermed får dem til at udsende lys ved nogle bestemte farver. 

Hvor højt oppe disse sammenstød sker afhænger af atmosfærens tæthed, men starter typisk i 150 kilometers højde. Under ca. 100 km falder tætheden af atomar oxygen abrupt, hvilket giver nordlysets dets velkendte skarpe kant i bunden.

Men inden partiklerne når atmosfæren, møder de Jordens magnetfelt. Og fordi de er elektrisk ladede, bliver de afbøjet af dette magnetfelt:

Når en elektrisk ladet partikel bevæger sig ind i et magnetfelt, oplever den en kraft, som kaldes "Lorentz-kraften". Det svarer lidt til modvind, men mens vindmodstand virker modsat bevægelsesretningen — som du nok ved fra cykelstien — virker Lorentz-kraften sidelæns. Det lyder mærkeligt, men sådan er det altså.

Dette betyder for det første, at Jordens magnetfelt "skærmer" os mod solvinden, fordi ladede partikler har svært ved at bevæge sig på tværs af magnetfeltlinjerne (og det er nok meget heldigt for liv på Jorden). I stedet presses de til at bevæge sig langs feltlinjerne, som jo ender ved polerne, så for det andet betyder det — som du også nævner — at partiklerne guides til nord- og sydpolen.

"Standardforklaringen" er, at partikler i solvinden afbøjes, ledes ned mod polerne og skaber nordlys, som vist på figuren her. Men læs videre…

Hvordan skabes nordlys?

Virkeligheden er dog mere kompleks end det simple billede ovenfor. Størstedelen af solvindens partikler rejser ikke direkte mod polerne, men tvinges over på Jordens natteside og fanges heromme. Husk på, at ladede partikler — eller plasma, som det også kaldes — har svært ved at bevæge sig på tværs af et magnetfelt pga. Lorentz-kraften.

Det betyder at plasmaen og magnetfeltet har en tendens til enten at undgå, eller også at fange hinanden. Kun hvis partiklerne har en retning, der peger nogenlunde langs med feltlinjerne, kan de følge dem; kommer de for vinkelret herpå, bliver de lissom "spejlet" (det kalder man det).

Hvor magnetfeltet på Jordens dagside er sammenpresset pga. solvinden, strækker det sig på nattesiden millioner af kilometer ud i Solsystemet i den såkaldte magnetohale. Magnetohalen består en en nordlig del og en sydlig del, hvor tætheden af ladede partikler er ret lav, adskilt af et lag med høj tæthed af ladede partikler, kaldet plasmalaget.

Blandet med magnetfeltet er desuden elektriske felter som påvirker partiklerne, og partiklerne skaber også selv deres egne magnetfelter. Indimellem "om-strukturerer" de forskellige magnetfelter sig mere eller mindre pludseligt, hvilket så kan sende en byge af partikler tilbage mod Jorden. En sådan byge, eller plasmoid, kan bære "indefrosne" magnetfelter med sig, hvilket komplicerer sagen yderligere.

Den ovale aurorazone

Illustrationen ovenfor til højre er mere korrekt end dén til venstre, men mangler stadig en komponent, der er vigtig for at forstå, hvordan nordlyset bliver skabt. Som du siger er det rigtigt, at tætheden af magnetfeltlinjer er størst oppe ved nordpolen. Men disse linjer må også være dem, der rækker længst væk fra Jorden, for feltlinjer kan ikke krydse hinanden.

Normalt looper en magnets feltlinjer altid tilbage til magneten. Men hvis magneten befinder sig i nærheden af en anden magnet, kan nogle af linjerne forbinde sig med linjerne fra den anden magnet. Og det er hvad der sker i Jordens tilfælde, for der er faktisk også et andet magnetfelt, som vi ikke kan se bort, nemlig Solens magnetfelt, som bliver presset ud gennem Solsystemet af dens egen solvind og skaber "det interplanetariske magnetfelt".

Det interplanetariske magnetfelt går nogenlunde på tværs af Jordens omløbsbane. De af Jordens feltlinjer, som starter ud tættest på den nordlige magnetpol, strækker sig så langt ud, at de ikke looper tilbage til Jorden, men i stedet forbinder sig med det interplanetariske magnetfelt. Herude bevæger partiklerne sig med så høje hastigheder (væk fra Solen), at de ikke kan indfanges og trækkes tilbage til Jorden og skabe nordlys.

Derfor ses der sjældent nordlys i den område, som kalde the polar cap ("polarkalotten", kunne man måske oversætte det til). Kommer man ca. 20° væk fra den nordlige magnetpol, kommer pludselig ind i det område, hvor feltlinjerne looper ned igennem plasmalaget, og så kan de tiltrække partikler og skabe nordlys i den ringformede "aurorazone".

Yderligere ca. 6° væk fra nordpolen går feltlinjerne godt nok igennem område med ladede partikler — det såkaldte van Allen-bælte — men her er magnetfeltet mere ordnet og symmetrisk parallelt med Jordens overflade, så partiklerne har svært ved at bevæge sig ned mod Jorden, og vi ser derfor ingen nordlys syd for aurorazonen.

Fordi solvinden presser på magnetfeltet, bliver aurorazonen forskudt lidt over mod Jordens natteside or trukket ud i en let aflang form, dvs. oval.

Og fordi partiklerne, som skaber nordlyset, primært kommer fra magnetohalen, som peger væk fra Solen og altså er på Jordens natteside, bliver den ovale aurorazone kraftigst væk fra Solen, dvs. omtrent der hvor det er midnat 

På den måde ender vi med den ovale aurorazone, lidt forskudt fra dagsiden, og kraftigst på nattesiden.

Bedste hilsener,
Peter Laursen, Astrofysiker og videnskabsformidler,
Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institutet.