Medborgarforskning fann nytt norrskensfenomen

29.1.2020
Finländska norrskensskådare har tillsammans med rymdforskare funnit en ny norrskensform, som norrskensskådarna fick ge namnet dyner. Dynerna befinner sig sannolikt på omkring hundra kilometers höjd och består av syreatomer som svallar i vågor och får sitt sken från partiklar som strömmar från solen.
Working together with space researchers, Finnish amateur photographers have discovered a new auroral form. Named 'dunes' by the hobbyists, the phenomenon is believed to be caused by waves of oxygen atoms glowing due to a stream of particles released from the Sun. Time lapse video of a new auroral form called Dunes. Credit: Kari Saari

 

I en nyligen publicerad vetenskaplig studie spåras dynernas uppkomst till en ”vågkanal” som föds i ett av atmosfärens skikt, mesosfären, och dess gräns, alltså mesopausen. Studien föreslår dessutom att man med hjälp av den nya norrskensformen kan undersöka atmosfärens förhållanden på ett nytt sätt.

Studien var förstasidesnyhet i det första numret av AGU Advances, en tidskrift med stor genomslagskraft.

Okänt fingeravtryck på himlen

Från solen strömmar ett jämnt flöde av laddade partiklar, solvinden. När partiklarna når den joniserade delen av atmosfären, det vill säga jonosfären, ger de upphov till norrsken, då de stimulerar syre- och kväveatomer till ett högre energitillstånd, som får sitt utbrott i norrskensljus.

Minna Palmroth är professor i beräkningsrymdfysik. Hon leder Helsingfors universitets forskningsgrupp som har utvecklat världens mest exakta modelleringsmetod för den närliggande rymden samt rymdvädret som ger upphov till norrsken.

Hösten 2018 hade Palmroth precis publicerat ”Revontulibongarin opas”, en handbok för norrskensskådare. Boken skrevs i samarbete med norrskensskådare och hade fått sin inspiration från de svar som Palmroth gav på frågor om norrskenens fysik i Facebookgruppen Revontulikyttääjät.

För boken hade man gått igenom och kategoriserat tusentals fotografier tagna av norrskensskådare. Varje norrskensform är som ett fingeravtryck, typisk för det fysikaliska fenomenet i en viss norrskenszon.  Redan då fotografierna kategoriserades påpekade norrskensskådarna att en av norrskensformerna saknade kategori. Palmroth valde att tills vidare låta denna ovanliga norrskensform vänta.

Det var ett nästintill ofattbart sammanträffande att norrskensskådare som satt med i bokens arbetsgrupp ett par dagar efter publiceringen råkade se just den formen av norrsken, en form som redan var bekant för dem. Skådarna informerade Palmroth omedelbart. I norrskenet syntes ett grönaktigt, jämnt vågmönster, som en randig molnslöja eller dynerna på en sandstrand.

– Det var en av de mest oförglömliga stunderna i vårt gemensamma forskningsarbete när fenomenet uppenbarade sig och vi kunde betrakta det i realtid, beskriver amatörastronomen Matti Helin.

Vågor som lyses upp av norrsken

Nu började man utreda fenomenet och norrskensskådarnas observationer kombinerades med vetenskapliga metoder. Helin liknar projektet vid att lägga pussel eller utföra detektivarbete.

– Varje dag fann vi nya bilder, nya idéer. Och slutligen öppnade sig fenomenet för oss, berättar Helin.

Fenomenet fotograferades samtidigt i Letala och Ruovesi, och man kunde se samma detalj i norrskensformen. Maxime Grandin, postdoktoral forskare i Palmroths grupp, identifierade stjärnorna bakom norrskenet och deras riktning och höjd fastslogs med hjälp av ett planetarieprogram.  Sedan kunde man använda stjärnorna som referenspunkter för att bestämma fenomenets höjd och omfattning.

Grandin räknade ut att norrskensdynerna befann sig rätt lågt nere, på omkring hundra kilometers höjd i mesosfärens övre skikt. Vågfältets våglängd uppmättes till 45 kilometer.

Motsvarande bilder, där kameran hade förevigat samma jämna vågmönster, fanns det sju av i Ursas observationsdatabas Taivaanvahti (Himlakoll). 

Okändaste området

Den del av norrskenszonen där jordens elektriskt neutrala atmosfär möter rymden är ytterst krävande för apparater och satelliter. Därför är området enligt Palmroth ett av de minst utforskade på vår planet.

– Ibland kallas detta område som ligger i en höjd på 80–120 kilometer för ignorosfären, eftersom de fenomen som förekommer i den delen av atmosfären är så svåra att mäta, konstaterar Palmroth.

Dynerna syntes inom just denna del av norrskenszonen. Fenomenet tog forskarna till atmosfär- och rymdforskningens gränsområde, för man lyckades inte förklara fenomenet enbart med hjälp av rymdfysikens metoder.

– Skillnaderna i ljuset i dynernas vågor kunde bero på en ström av elektroner som regnade ner i jonosfären och gick i vågor, eller på kondenserade syreatomer i atmosfären, beskriver Palmroth. – Vi lutade mot att föreslå att dynerna berodde på kondenserade syreatomer.

Följande steg var att utreda hur det går till när atmosfärens tyngdkraftvågor ger upphov till kondenserade och glesnade syreatomerna och skapar ett så jämnt och stort fält av vågor. Det normala är att det på den höjden finns många slags tyngdkraftvågor som rör sig i olika riktningar och på olika våglängder, och därför ger de inte enkelt upphov till jämna vågfält, såsom dynerna.

Norrskenet lyser upp flodvåg

Studien föreslår att det är fråga om ett sällsynt fenomen som sker i mesosfären, och som det endast finns lite forskning om. Fenomenet är en flodvåg av syreatomer, som på engelska kallas för ”mesospheric bore”.

Den ”bore” som flodfenomenet ger upphov till är vanlig i många floder där tidvattnet stiger längs den kanal som floden bildar. Fenomenet observeras inte i Finland och därför saknar vi bra benämningar på de inhemska språken.

I atmosfären finns olika tyngdkraftsvågor som stiger uppåt. I mycket sällsynta fall kan tyngdkraftsvågor filtreras då de stiger upp mellan mesopausen och ett inversionsskikt som sporadiskt bildas under den. Vågor av en viss våglängd bryts och kan färdas långa sträckor i vågkanalen utan att avta.

 I mycket sällsynta fall kan en tyngdkraftsvåg som stiger uppåt i atmosfären filtreras och brytas så att den börjar färdas mellan mesopausen och ett inversionsskikt som sporadiskt bildas under den. Mesopausen och inversionsskiktet är kallare skikt än den övriga atmosfären. I vågkanalen som bildas mellan dem kan de tyngdkraftvågor som stiger nerifrån färdas långa sträckor utan att avta. När solvinden sedan skapar laddning i syreatomerna i den våg som färdas i kanalen, bildas norrsken med formen av dyner. (Grafik Credit: Jani Närhi)

Grafik av en tyngdkraftsvåg som stiger uppåt i atmosfären filtreras och brytas så att den börjar färdas mellan mesopausen och ett inversionsskikt som sporadiskt bildas under den.

 

När flodvågornas syreatomer hamnar i vägen för de elektroner som regnar ner i atmosfären laddas syreatomerna i vågorna och när de sedan urladdas ger det upphov till norrskensljus. Det här betyder att flodvågorna i mesosfären, som man har uppfattat som väldigt svåra att forska i, tidvis till och med kan ses med blotta ögat.

Rymdforskarna tar sig an atmosfären

Man har inte tidigare observerat flodvågor inom norrskensområdet, och man har inte forskat i vågorna med hjälp av norrsken.

– I själva verket har man vanligen avlägsnat hela norrskensområdet inom vågforskningen, eftersom norrskenen stör den identifieringsmetod som används för mesosfärens flodvågor, berättar Palmroth.

Traditionellt har atmosfärforskarna och rymdforskarna forskat rätt separat från varandra, eftersom jonosfären, som badar i ett regn av elektroner, och den neutrala atmosfären har endast ett fåtal kända mekanismer för växelverkan.

Med hjälp av meteorologiska institutets mätinstrument upptäcktes dynerna förekomma samtidigt och på samma ställe där den elektromagnetiska energi som kommer längre utifrån rymden övergår till ignorosfären.

– Detta betyder att det kan finnas ett samband mellan energin som övergår från rymden till jonosfären och den vågkanal som uppstår i mesosfären, konstaterar Palmroth.

– Ur fysikens synvinkel kan upptäckten vara omvälvande, eftersom det vore en ny och tidigare okänd mekanism för växelverkan mellan jonosfären och atmosfären.

Referens:

M. Palmroth, M. Grandin, M. Helin, P. Koski, A. Oksanen, M. A. Glad, R. Valonen, K. Saari, E. Bruus, J. Norberg, A. Viljanen, K.4 Kauristie, and P. T Verronen. Citizen scientists discover a new auroral form: Dunes provide insight into the upper atmosphere. AGU Advances, AGU Advances 1, 1-12, 28.1.2020, https://doi.org/10.1029/2019AV000133

Kontaktuppgifter

Professor Minna Palmroth, 050 311 1950, minna.palmroth@helsinki.fi, @MinnaPalmroth, Helsingfors universitet och meteorologiska institutet

Postdoktoral forskare Maxime Grandin, 040 675 3707, maxime.grandin@helsinki.fi, @Maxime_Grandin, Helsingfors universitet

Amatörastronom Matti Helin, 044 359 0866, mjhelin@gmail.com

Kommunikationschef Johanna Pellinen, +358 43 8245394, johanna.p.pellinen@helsinki.fi