En klar vinterkväll kan himlen plötsligt börja röra sig i grönt, rött eller violett. Hur uppstår norrsken? Det korta svaret är att partiklar från solen leds mot jordens polarområden och får gaserna högt uppe i atmosfären att sända ut ljus. Här går jag igenom hela kedjan, från solvinden och jordens magnetfält till färgerna, rörelserna och varför chanserna varierar så mycket i Sverige.
Solvind, magnetfält och atmosfär skapar ljuset
- Solvinden består av laddade partiklar som strömmar ut från solen.
- Jordens magnetfält leder en del av partiklarna mot områdena kring de magnetiska polerna.
- Kollisioner på 100 till 400 kilometers höjd får syre och kväve att avge ljus.
- Grönt norrsken kommer oftast från syreatomer, medan rött, blått och violett ljus har andra höjder eller gaser bakom sig.
- Solstormar kan göra norrskenet starkare och synligt längre söderut i Sverige.
Från solen till jordens magnetosfär
Jag tycker att den enklaste bilden är att se norrskenet som en kedja mellan tre platser: solen, jordens magnetfält och atmosfären. Solen skickar hela tiden ut plasma, alltså en ström av fria elektroner och protoner. Denna ström kallas solvinden.
När solvinden når jorden fungerar magnetfältet som ett slags skyddande hinder. Det mesta av partiklarna böjs av, men magnetfältet pressas ihop på den sida som vetter mot solen och dras ut till en lång magnetsvans på nattsidan. SMHI beskriver hur laddade partiklar följer magnetfältets linjer mot en oval runt den magnetiska nordpolen. Den kallas norrskensovalen.
Vid kraftigare solvind eller ett koronamassutkast, där solen kastar ut stora mängder plasma, överförs mer energi till jordens magnetosfär. Genom så kallad magnetisk återkoppling, eller magnetisk rekonnexion, kan den lagrade energin plötsligt frigöras. Då accelereras elektroner ned längs magnetfältets linjer mot den övre atmosfären.
Kollisionerna som tänder himlen
De infallande elektronerna når framför allt atmosfären på ungefär 100 till 400 kilometers höjd. Där krockar de med syreatomer och kvävemolekyler. Vid varje kollision överförs en del av elektronens energi till gasen.
En atom som har fått extra energi befinner sig i ett exciterat tillstånd. När den återgår till ett lugnare tillstånd skickar den ut energin som en liten ljuspartikel, en foton. Miljontals sådana kollisioner tillsammans skapar det ljus vi ser som norrsken. Det är alltså inte eld, reflekterat solljus eller moln, utan gaser som avger ljus efter energirika kollisioner.
Det krävs därför både laddade partiklar och en atmosfär. Utan solvinden skulle det saknas energikälla, och utan gasatomer skulle partiklarna inte ha något att kollidera med. Samma grundprincip kan ge polarsken även på andra planeter, men färgerna och formerna beror på planetens atmosfär och magnetfält.
Därför rör sig norrskenet över himlen
Norrskenet ser ut att dansa eftersom partikelflödet och magnetfältet hela tiden förändras. När elektronerna följer magnetfältets linjer bildas bågar, band och strålar som ofta ligger längs med fältets riktning. En båge kan vara över 1 000 kilometer lång men samtidigt mycket smal.
De mest dramatiska rörelserna uppstår ofta under en så kallad substorm. Då frigörs energi som har lagrats i magnetsvansen och fler elektroner styrs ned mot atmosfären på kort tid. Resultatet kan bli ett norrsken som plötsligt ljusnar, veckar sig och breder ut sig över stora delar av himlen.
Det är också därför ett norrsken kan försvinna nästan lika snabbt som det dök upp. Partiklarna fortsätter att komma, men mängden, energin och riktningen varierar. För mig är just detta en av de mest fascinerande detaljerna: det vi ser som en sammanhängande gardin är egentligen ett snabbt föränderligt mönster av individuella kollisioner.
Vad färgerna avslöjar
Färgen beror främst på vilken gas som träffas och på vilken höjd kollisionerna sker. NASA sammanfattar färgerna på ett sätt som gör det lätt att förstå varför grönt är vanligast, medan rött och violett ofta kräver särskilda förhållanden.
| Färg | Vanlig höjd | Vad som lyser |
|---|---|---|
| Grönt | Cirka 100 till 200 km | Syreatomer |
| Rött | Över cirka 200 km | Syreatomer som påverkas av svagare partiklar |
| Blått och violett | Kring och under 100 km | Kvävemolekyler |
| Rosa och vitt | Blandade höjder och färger | En kombination av syre, kväve och ljusstyrka |
Grönt dominerar eftersom syre på ungefär 100 kilometers höjd ofta träffas av elektroner med rätt energi. Rött ljus uppstår högre upp och är svagare, vilket gör att det lättare försvinner i stadsljus. En kamera kan därför registrera ett tydligt rött eller violett sken även när ögat främst uppfattar norrskenet som blekgrönt.
När och var det syns i Sverige
Den bästa chansen finns i norra Sverige under mörka och klara nätter, särskilt när solvinden är aktiv. Men det finns ingen enkel garanti. Moln, månsken, ljusföroreningar och norrskenets placering spelar minst lika stor roll som själva solaktiviteten.
Vid kraftiga geomagnetiska stormar vidgas norrskensovalen mot lägre breddgrader. Då kan norrsken synas i Svealand och ibland ännu längre söderut. Från södra Sverige behöver man ofta ha fri sikt mot norr, medan norrskenet i Norrland kan befinna sig betydligt högre på himlen.
Solens aktivitet varierar dessutom i en cykel på ungefär 11 år. Solutbrott och snabba solvindar ökar chansen för starka norrsken, men en aktiv sol räcker inte ensam. Himlen måste vara mörk och relativt molnfri. Norrskenet kan finnas där även på dagen, men det är då för svagt för att synas med blotta ögat.
Ett vanligt missförstånd är att kallt väder skapar norrsken. Kylan påverkar inte själva fenomenet. Den gör bara ofta vinterhimlen mörkare och klarare, medan norrskenet i verkligheten uppstår långt ovanför det vanliga vädret.
Norrskenet är solens rymdväder i synlig form
Det viktigaste att bära med sig är en enkel kedja: solvinden för med sig energi, jordens magnetfält leder partiklarna, och atmosfärens gaser omvandlar energin till ljus. Färgen berättar vilken gas och höjd som varit inblandad, medan rörelsen visar hur magnetfältet och partikelströmmen förändras.
Nästa gång himlen börjar skimra behöver man alltså inte välja mellan skönhet och fysik. Norrskenet är båda delarna samtidigt, en storslagen synlig effekt av samspelet mellan solen, jorden och den tunna atmosfären ovanför oss.
