Hoewel de aurora normaal gesproken alleen dichtbij de polen zichtbaar is, werd hij dit weekend zo ver zuidelijk als Hawaï op het noordelijk halfrond waargenomen, en zo ver noordelijk als Mackay in het zuiden.

Deze spectaculaire piek in poollichtactiviteit lijkt te zijn geëindigd, maar maak je geen zorgen als je iets gemist hebt. De zon nadert het hoogtepunt van zijn 11-jarige zonnevlekkencyclus, en perioden van intense aurora zullen waarschijnlijk het komende jaar terugkeren.

Als je de aurora of een van de foto's hebt gezien, vraag je je misschien af ​​wat er precies aan de hand was. Wat maakt de gloed en de verschillende kleuren? Het antwoord heeft alles te maken met atomen, hoe ze opgewonden raken en hoe ze ontspannen.

Wanneer elektronen de atmosfeer ontmoeten

De aurorae worden veroorzaakt doordat geladen subatomaire deeltjes (meestal elektronen) de atmosfeer van de aarde binnendringen. Deze worden voortdurend door de zon uitgezonden, maar er zijn er meer in tijden van grotere zonneactiviteit.

Het grootste deel van onze atmosfeer wordt beschermd tegen de instroom van geladen deeltjes door het magnetische veld van de aarde. Maar in de buurt van de polen kunnen ze naar binnen sluipen en grote schade aanrichten.

De atmosfeer van de aarde bestaat voor ongeveer 20% uit zuurstof en 80% uit stikstof, met enkele sporen van andere zaken zoals water, koolstofdioxide (0,04%) en argon.

Wanneer snelle elektronen op zuurstofmoleculen in de bovenste atmosfeer botsen, splitsen ze de zuurstofmoleculen (O₂) in individuele atomen. Ultraviolet licht van de zon doet dit ook, en de gegenereerde zuurstofatomen kunnen reageren met O₂-moleculen om ozon (O₃) te produceren, het molecuul dat ons beschermt tegen schadelijke UV-straling.

Maar in het geval van de aurora bevinden de gegenereerde zuurstofatomen zich in een aangeslagen toestand. Dit betekent dat de elektronen van de atomen op een onstabiele manier zijn gerangschikt, waardoor ze kunnen 'ontspannen' door energie af te geven in de vorm van licht.

Wat geeft groen licht?

Zoals je bij vuurwerk ziet, produceren atomen van verschillende elementen verschillende kleuren licht wanneer ze worden geactiveerd.

Koperatomen geven blauw licht, barium is groen en natriumatomen produceren een geeloranje kleur die je misschien ook bij oudere straatlantaarns hebt gezien. Deze emissies zijn “toegestaan” door de regels van de kwantummechanica, wat betekent dat ze zeer snel plaatsvinden.

Wanneer een natriumatoom zich in een aangeslagen toestand bevindt, blijft het daar slechts ongeveer 17 miljardste van een seconde voordat het een geeloranje foton afvuurt.

Maar in de aurora worden veel van de zuurstofatomen gecreëerd in een opgewonden toestand, zonder 'toegestane' manieren om te ontspannen door licht uit te zenden. Toch vindt de natuur een manier.

Het groene licht dat de aurora domineert, wordt uitgezonden door zuurstofatomen die ontspannen van een toestand die "¹S" wordt genoemd naar een toestand die "¹D" wordt genoemd. Dit is een relatief langzaam proces, dat gemiddeld bijna een hele seconde duurt.

In feite is deze overgang zo langzaam dat deze normaal gesproken niet zal plaatsvinden bij het soort luchtdruk dat we op grondniveau zien, omdat het aangeslagen atoom energie zal hebben verloren door tegen een ander atoom te botsen voordat het de kans heeft gehad een prachtig groen signaal uit te zenden. foton. Maar in de bovenloop van de atmosfeer, waar de luchtdruk lager is en er dus minder zuurstofmoleculen zijn, hebben ze meer tijd voordat ze tegen elkaar botsen en hebben ze dus de kans een foton vrij te laten.

Om deze reden duurde het lang voordat wetenschappers erachter kwamen dat het groene licht van de aurora afkomstig was van zuurstofatomen. De geeloranje gloed van natrium was al bekend in de jaren zestig van de negentiende eeuw, maar pas in de jaren twintig ontdekten Canadese wetenschappers dat het poollichtgroen te wijten was aan zuurstof.

Wat maakt het rode licht?

Het groene licht komt van een zogenaamde "verboden" overgang, die plaatsvindt wanneer een elektron in het zuurstofatoom een ​​onwaarschijnlijke sprong maakt van het ene orbitale patroon naar het andere. (Verboden overgangen zijn veel minder waarschijnlijk dan toegestane overgangen, wat betekent dat het langer duurt voordat ze plaatsvinden.)

Maar zelfs na het uitzenden van dat groene foton bevindt het zuurstofatoom zich in weer een andere aangeslagen toestand zonder toegestane ontspanning. De enige ontsnapping is via een andere verboden overgang, van de ¹D- naar de ³P-toestand, die rood licht uitstraalt.

Deze overgang is om zo te zeggen nog meer verboden, en de ¹D-staat moet ongeveer twee minuten overleven voordat hij eindelijk de regels kan overtreden en rood licht kan afgeven. Omdat het zo lang duurt, verschijnt het rode licht alleen op grote hoogte, waar botsingen met andere atomen en moleculen schaars zijn.

Omdat er daarboven zo weinig zuurstof is, lijkt het rode licht bovendien alleen te verschijnen in intense aurorae, zoals die welke we zojuist hebben gehad.

Daarom verschijnt het rode licht boven het groene. Hoewel ze allebei hun oorsprong vinden in verboden relaxaties van zuurstofatomen, wordt het rode licht veel langzamer uitgezonden en is de kans groter dat het wordt gedoofd door botsingen met andere atomen op lagere hoogten.

Andere kleuren, en waarom camera's ze beter zien

Hoewel groen de meest voorkomende kleur is in het noorderlicht, en rood de tweede meest voorkomende, zijn er ook andere kleuren. Met name geïoniseerde stikstofmoleculen (N₂⁺, die één elektron missen en een positieve elektrische lading hebben) kunnen blauw en rood licht uitstralen. Dit kan op lage hoogte een magenta tint produceren.

Al deze kleuren zijn met het blote oog zichtbaar als de aurora helder genoeg is. Ze verschijnen echter met meer intensiteit in de cameralens.

Hiervoor zijn twee redenen. Ten eerste hebben camera's het voordeel van een lange belichtingstijd, wat betekent dat ze meer tijd kunnen besteden aan het verzamelen van licht om een ​​beeld te produceren dan onze ogen. Hierdoor kunnen ze ook bij weinig licht een foto maken.

De tweede is dat de kleursensoren in onze ogen niet zo goed werken in het donker, waardoor we bij weinig licht de neiging hebben om in zwart-wit te zien. Camera's hebben deze beperking niet.

Maar maak je geen zorgen. Wanneer de aurora helder genoeg is, zijn de kleuren duidelijk zichtbaar met het blote oog.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.