RYMDEN

Mystik i skyn – den långa färden till norrskenets kärna

Ånga som slungas upp ur ”jordens porer”, trodde astronomen Edmond Halley var en av orsakerna bakom norrsken. I dag vet vi bättre, och svenska forskare har stått för flera viktiga svar på norrskenets gåta.
Norrsken avbildat vid Bosskop under en fransk-svensk expedition till Spetsbergen 1840 med fartyget Recherche. Bland annat mättes norrskenets höjd med triangulering till 90–150 kilometer, vilket stämmer ganska väl med dagens mått på 90–200 kilometer. Teckning: Antoine Bevalet.
Den norska professorn i fysik, Kristian Birkeland (1867–1917), konstruerade en kammare för att simulera norrsken. Utifrån det förklarade han att norrsken bildas när laddade partiklar från solen närmar sig jorden. ”De avböjs i det jordmagnetiska fältet och kommer ner i atmosfären vid polerna, där de ger upphov till norrsken”, förklarade han.
Fysikern Vilhelm Carlheim-Gyllensköld mätte under polaråret 1882–83 in norrsken från Spetsbergen med denna teodolit. Det var en del av ett internationellt samarbete med mätningar på 14 olika platser runt norra halvklotet.
Hannes Alfvén tilldelades Nobelpriset i fysik 1970 tillsammans med franska forskaren Louis Néel för ”grundläggande insatser och upptäckter inom magnetohydrodynamiken med fruktbärande tillämpningar inom olika områden av plasmafysiken”.
Ingenjören Willy Stoffregen, chef för Uppsala jonosfärobservatorium, med assistent vid en norrskenskamera 1956. Observatoriet grundades av Försvarets forskningsanstalt 1952 med syftet att få förbättrad kunskap kring naturliga störningar som kan drabba militära radioförbindelser. Men det utökades snart till att även studera andra himlafenomen, som norrsken.
Jonosfärsobservatoriet registrerade jonosfärens förändringar som reflektor för radiovågor, men utförde dessutom observationer av norrsken med kameror. Så småningom ägnade sig laboratoriet allt mindre åt militär kommunikation, och mer åt grundforskning kring jordens magnetosfär och rymdväder. I dag är det en del av Institutet för rymdfysik som är inrymt hos Uppsala universitet.
En av många bilder på norrsken från jonosfärobservatoriet i Uppsala, denna från 1956.
Sveriges första satellit, Viking, användes för norrskensforskning. Här monteras satelliten på en adapter inför uppskjutningen från den europeiska rymdbasen i Franska Guyana i februari 1986.
När solen får ett utbrott kan laddade partiklar slungas mot jorden, där magnetosfären skyddar oss från stora mängder energirika partiklar. Norrsken uppstår när partiklarna träffar jordens atmosfär och krockar med dess molekyler och atomer. Färgen på norrskenet beror på hastigheten som elektronerna kolliderar med, och på vilken höjd i atmosfären det sker.

Slöjor av ånga, virvlande stoft eller speglat solljus – norrskenets orsaker har gäckat människan sedan urminnes tider. Efter magnifika norrsken 1716 började den vetenskapliga resan mot svaret. Först i satellitåldern har vi hittat det.

Publicerad

Den 6 mars 1716 häpnade människor över hela norra halvklotet av ett makalöst skådespel på kvällshimlen, vars motstycke inte skådats utanför Nordkalotten på över 100 år.

ERBJUDANDE!

Prenumerera på Teknikhistoria

Det här är en tillfälligt upplåst artikel ur tidningen Teknikhistoria. 

I varje nummer tar vi dig med på en resa genom tidens tekniska landvinningar – från satelliter till klassiska svenska innovationer.

Följ med på resan! Här kan du teckna en prenumeration

”Jag såg som en väg av ljusa moln, som sträckte sig från zenit mot öster och solnedgången. Våldsamma rörelser följde på varandra och motsatt varandra, med röda ångor, tills det oregelbundna molnet sönderföll och mer eller mindre försvann. Men delar av det drog sig österut. Från dem kom först rökiga ångor, sedan bröt pyramidformade ljusstrålar fram med stor hastighet”, noterade gymnasieläraren Magnus Oxelgren i Norrköping, enligt Anders Celsius Iakttagelser över norrsken i Sverige.

Samma dag beskrev den engelske astronomen Edmond Halley samma scener, från Londons horisont: ”Ut från vad som liknade ett dunkelt moln, kantat av rödaktigt gult, som om månen var dold bakom det, steg mycket långa strålar eller stråk vinkelrätt från horisonten, några av dem nära att nå zenit”, skrev han till naturvetenskapliga akademin Royal Society. Även Halley nämnde pyramidliknande strålar, som ”kapade koner eller cylindrar, mycket lika kometsvansar”.

Alltsammans kröntes av en korona, lik sådana som i kyrkliga sammanhang ”brukar symbolisera Guds ära”, förklarade Halley. Men norrskenet skapas inte av Gud, utan av ”magnetisk massa”. Ånga som slungades upp ur ”jordens porer” och belystes av solljus spelade in, resonerade han.

Norrsken avbildat vid Bosskop under en fransk-svensk expedition till Spetsbergen 1840 med fartyget Recherche. Bland annat mättes norrskenets höjd med triangulering till 90–150 kilometer, vilket stämmer ganska väl med dagens mått på 90–200 kilometer. Teckning: Antoine Bevalet.

Anders Celsius 300 norrskensobservationer

Edmond Halley och hans landsman George Graham, känd instrumentmakare, började mäta kompassens missvisning och upptäckte magnetstormar från solen. När fysikern Anders Celsius besökte Graham i London köpte han en lång kompassnål för att mäta missvisningen hemma i Uppsala.

Edmond Halley (1656–1742) avbildad i målning av Richard Phillips.

Svenska forskare hade nära kontakter med kolleger i London, Paris och Berlin för att vässa svensk vetenskap. När Kungliga Vetenskapsakademien bildades 1739 var Celsius en av de första ledamöterna.

Han hade då sammanställt över 300 svenska norrskensobservationer från magister Oxelgrens iakttagelse 1716 till 1733. Han och svågern Olof Hiorter hade gjort ett antal av dessa.

Men Anders Celsius hade fullt upp med att mäta temperaturer och landhöjning, då sedd som ”wattuminskning”, och själva jordklotet för att se om det var avplattat vid polerna. Hiorter tog över kompassmätningarna.

Våren 1841 kom Celsius, Hiorter och Graham överens om att studera magnetnålen vid ett och samma norrsken. Nålarna i London och Uppsala gav tydliga utslag vid precis samma tidpunkter. Det visade att norrsken uppträdde på mycket hög höjd.

När Anders Celsius dog 1744 fortsatte Hiorter mäta med outtömlig energi, en gång per timme, dygnet runt. Under 1746 och 1747 gjorde han drygt 6 600 mätningar. Vid sin död tre år senare hade han gjort över 10 000.

Olof Hiorters elev Pehr Wargentin avbröt 1750 kompassmätningar för att ”idkeligt [ideligt] starrande på de fina minut-strecken, genom et convext glas i elds-ljus” riskerade skada ögonen. Hans kompass tillverkades av Daniel Ekeström och finns hos Kungliga vetenskapsakademien.

Mätningarna visade på ett samband mellan norrsken och magnetiska störningar, konstaterade Hiorter i en artikel 1747. Men det var Celsius som lade upp forskningsprogrammet och borde räknas som upptäckaren, anser Sven Widmalm, professor i idéhistoria vid Uppsala universitet, som skrivit om Hiorters karriär.

– Celsius gjorde många mätningar, och var även en god teoretiker. Hiorter var en vassare astronom, men han fick inte ta över Celsius professur. Han blev i stället kunglig astronom, efter kontinental modell.

Norrsken ned till Rom och Karibien

1700-talet blev ett mätningarnas århundrade, även om tidens instrument inte räckte till. Men några bitar av pusslet lades, som när solfläckarnas cykel på elva år upptäcktes 1826. Först 25 år senare kopplades norrskenet säkert till denna.

På ett antal polarexpeditioner deltog fysiker som på olika sätt studerade norrskenet. Under 1838–40 gjorde franska och svenska forskare en expedition till Svalbard, med stopp i nordligaste Norge. När norrskenet kom avlästes lufttryck, temperatur, vindriktning och molntäcke var femte minut, ibland timvis i tio graders kyla. De mätte höjden där norrskenet förekom med triangulering och kom fram till mellan 90 och 150 km, vilket är nära dagens mått på 90–200 kilometer.

Fysikern Vilhelm Carlheim-Gyllensköld mätte under polaråret 1882–83 in norrsken från Spetsbergen med denna teodolit. Det var en del av ett internationellt samarbete med mätningar på 14 olika platser runt norra halvklotet.

Den 1 september 1859 inträffade den största solstormen hittills, då enorma mängder partiklar slungades mot jorden. Den engelske astronomen Richard Carrington insåg att stormarna orsakas av soleruptioner. Dagen efter slogs telegrafiska förbindelser ut världen runt. Norrsken syntes ända ned till Rom och Karibien.

Ångströms våglängd 

I Sverige mätte fysikern Anders Jonas Ångström bland annat magnetfältets vinkel mot jordytan på ett antal platser i landet, men gick snart över till ett nytt forskningsområde – spektroskopin. Han var först med att analysera gasers spektrum, och 1867–1868 mätte han norrskenets.

Ångström tittade särskilt på våglängden 5577 Å, med den enhet för våglängder som han införde, som härrör från norrskenets gröngula ljus. Men våglängden var okänd, så han trodde sig ha upptäckt ett nytt grundämne – som han kallade aurorium.

Det var inte långsökt, eftersom helium upptäcktes vid en solförmörkelse samma år. Inte förrän med kvantfysikens genombrott på 1930-talet förklarades att spektrallinjen kom från atomärt syre, som hittills bara hittats utanför jordens atmosfär. Atomärt syre är en ensam atom, till skillnad från syrgas med två atomer ihop.

Den norska professorn i fysik, Kristian Birkeland (1867–1917), konstruerade en kammare för att simulera norrsken. Utifrån det förklarade han att norrsken bildas när laddade partiklar från solen närmar sig jorden. ”De avböjs i det jordmagnetiska fältet och kommer ner i atmosfären vid polerna, där de ger upphov till norrsken”, förklarade han.

Tidiga upptäckter bekräftades med satelliter

Under 1800-talets sista decennier följde upptäckter slag i slag, som elektronens existens och att magnetfält styr laddade partiklar. Det tog norrmannen Kristian Birkeland fasta på.

Några år inpå 1900-talet kopplade han norrskenets variationer till elektriska strömmar i övre atmosfären, vilket bekräftades först med satelliter på 1960-talet. Han simulerade norrsken i en kammare med lågt tryck, där elektroner sköts ur ett katodrör mot en metallkula belagd med ett fluorescerande ämne som representerade jorden. Kulan lystes då upp vid polerna.

50 år senare upprepades experimentet av Hannes Alfvén, 1900-talets gigant inom norrskensforskningen. Han ville beskriva vad som sker då plasma – gaser av laddade partiklar – från solen träffar jorden. Han blev pionjär inom plasmafysiken och lanserade 1942 magnethydrodynamiken, som visar hur plasma uppför sig i magnetfält. Den blev hett omstridd, men har bekräftats sedan det blev möjligt att nå ut ur jordens atmosfär under rymdåldern.

– Han var långt före sin tid. Ingen hade trott att det fanns partiklar och elektriska fält i rymden. Men det bekräftades med rymdsonder och satelliter, då man kunde mäta både partikeltätheten och magnetfälten utanför jordens atmosfär, säger teknikhistorikern Svante Lindqvist, som skrivit Tidens retorik, en biografi om Hannes Alfvén.

Hannes Alfvén tilldelades Nobelpriset i fysik 1970 tillsammans med franska forskaren Louis Néel för ”grundläggande insatser och upptäckter inom magnetohydrodynamiken med fruktbärande tillämpningar inom olika områden av plasmafysiken”.

Första svenska satelliten hade norrsken i fokus

Strömmen av partiklar från solen till jorden utgörs av ett plasma, framför allt elektroner och protoner, som kallas solvinden. Första 1953 kunde de första partiklarna fångas upp med instrument burna av en ballong. Men solvinden bekräftades först i mätningar med den ryska sonden Luna 1 under norrskensåret 1959. Sedan dess görs de flesta mätningarna ute i rymden.

När den första svenska satelliten, Viking, sköts upp 1986 stod norrskenet i fokus. Bland annat mättes hur norrskenspartiklar växelverkar med elektriska och magnetiska fält.

Sveriges första satellit, Viking, användes för norrskensforskning. Här monteras satelliten på en adapter inför uppskjutningen från den europeiska rymdbasen i Franska Guyana i februari 1986.

Urban Brändström, optisk norrskensforskare och chef för observatorieverksamheten vid Institutet för rymdfysik i Kiruna, tycker att Viking var mest lyckad, trots att många satelliter undersökt norrskenet sedan dess.

När solen får ett utbrott kan laddade partiklar slungas mot jorden, där magnetosfären skyddar oss från stora mängder energirika partiklar. Norrsken uppstår när partiklarna träffar jordens atmosfär och krockar med dess molekyler och atomer. Färgen på norrskenet beror på hastigheten som elektronerna kolliderar med, och på vilken höjd i atmosfären det sker.

– Freja som skickades upp 1992 gav också goda resultat. Bland annat upptäckte man svart norrsken, som inte syns, men där elektronerna far åt andra hållet, bort från jorden. Utan satelliter skulle vi aldrig kunna förstå hur materia uppför sig i plasmatillståndet, säger han.

– Det är enorma energinivåer som aldrig kan uppnås i labb. Ett norrsken bränner av lika mycket energi som hela USA:s energiförbrukning. En massutkastning från solens korona motsvarar 100 miljoner vätebomber.

Frågan om sprakande norrsken

Och till sist den eviga tvistefrågan: Sprakar norrsken eller ej?

Att ett fenomen på 100 kilometers höjd skulle kunna alstra ljud som hörs på jorden är orimligt med tanke på avståndet och att ljud inte kan fortplanta sig i vakuum. Men däremot skulle det kunna röra sig om något samtidigt fenomen närmare marken.

Finländska forskare lanserade 2021 en teori om att det kan utlösas av inversion, där varmare luft ligger som ett lock på kallare luftskikt nära marken. Då kan effekter uppstå som skapar ett knastrande ljud på mindre än 100 meters höjd.

– Det är för många som hört knaster för att man ska kunna avfärda det som inbillning. Det finns japanska forskare som menar att det handlar om synestesi, där sinnena korskopplas och synintryck kan utlösa hörselintryck. Men jag tycker att den finländska hypotesen är mest rimlig, säger Urban Brändström.

Ingenjören Willy Stoffregen, chef för Uppsala jonosfärobservatorium, med assistent vid en norrskenskamera 1956. Observatoriet grundades av Försvarets forskningsanstalt 1952 med syftet att få förbättrad kunskap kring naturliga störningar som kan drabba militära radioförbindelser. Men det utökades snart till att även studera andra himlafenomen.
Jonosfärsobservatoriet registrerade jonosfärens förändringar som reflektor för radiovågor, men utförde dessutom observationer av norrsken med kameror. Så småningom ägnade sig laboratoriet allt mindre åt militär kommunikation, och mer åt grundforskning kring jordens magnetosfär och rymdväder.
En av många bilder på norrsken från jonosfärobservatoriet, denna från 1956. I dag är det en del av Institutet för rymdfysik som är inrymt hos Uppsala universitet.
LÄS ÄVEN
rymden fysik forskning
LÅNGLÄSNING
pionjärer