Sólin Sólin Rís 04:45 • sest 22:06 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 05:20 • Sest 13:04 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 01:31 • Síðdegis: 14:17 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 08:06 • Síðdegis: 20:32 í Reykjavík

Af hverju eru norðurljós í mismunandi litum?

Þorsteinn Vilhjálmsson og Ögmundur Jónsson

Spurningunni Af hverju stafa norður- og suðurljósin? hefur áður verið svarað á Vísindavefnum. Í því svari Aðalbjörns Þórólfssonar og Ögmundar Jónssonar er meðal annars útskýrt hvað gerist þegar eindir úr sólvindinum koma inn í segulsvið jarðar:
Hlöðnu eindirnar sem fara inn í segulsvið jarðar hreyfast á miklum hraða eftir gormlaga brautum kringum segulsviðslínurnar milli segulskautanna. Rafeindir og róteindir streyma þannig í átt að segulpólunum og þegar nær dregur pólunum rekast eindirnar á lofthjúpinn, oftast í milli 100 og 250 km hæð. Orkan í rafeindunum og róteindunum örvar sameindir og frumeindir í lofthjúpnum en þær senda aftur á móti frá sér orkuna sem sýnilegt ljós sem við köllum norðurljós eða suðurljós eftir því við hvorn pólinn þau sjást. Litirnir sem við sjáum oftast eru grænn og rauð-fjólublár, en þeir stafa frá örvuðu súrefni annars vegar og örvuðu köfnunarefni eða nitri hins vegar.

Þegar hér er sagt að sólvindurinn örvi sameindir og frumeindir í lofthjúpnum er átt við að rafeindirnar í þessum eindum eða eindirnar sjálfar sem heild taka við aukaorku. Er þá sagt að þær færist upp í tiltekið orkustig með meiri orku en á grunnorkustiginu þar sem þær voru í upphafi. Bilin milli orkustiganna fara eftir því hvert frumefnið er, hvort eindir þess eru rafhlaðnar (jónaðar) og hvort sameindir þess hafa klofnað í frumeindir. Orkustigin eru hins vegar hin sömu fyrir allar eindir sem eins er ástatt um að þessu leyti. Viðar Guðmundsson útskýrir þetta í svari sínu við spurningunni Er hægt að líkja alheiminum við atóm? sem hér segir:
Sagt er að rafeindin geti aðeins haft strjál orkugildi meðan hún er í atóminu [frumeindinni, en einnig getur verið um sameind að ræða] á annað borð. Með því er átt við að orkan getur aðeins tekið ákveðin gildi sem hægt er að tiltaka með sérstökum hætti, en orkan getur ekki tekið gildin milli þeirra.
Þetta er oft orðað þannig að orkan sé skömmtuð. Eftir að frumeindir eða sameindir hafa verið örvaðar upp í tiltekið orkustig með þessum hætti færast eindirnar aftur niður á grunnorkustig og senda þá frá sér ljós eða aðra rafsegulgeislun með tiltekinni bylgjulengd og tíðni. Tíðnin samsvarar orkunni samkvæmt jöfnunni
E = h f
þar sem E er orkumunurinn milli orkustiganna, f er tíðnin og h er svokallaður fasti Plancks, sem er einn af grundvallarföstum náttúrunnar.


Margir af litum norðurljósanna myndast við svokallaðar forboðnar færslur eða ummyndanir milli orkustiga í sameindum og frumeindum í ystu lögum lofthjúpsins. Með því er átt við að færslurnar gerast ekki á þann hátt sem algengastur er og taka því talsvert lengri tíma en ella. Þetta gerist ekki við venjulegar aðstæður á jörðu niðri af því að hér er gasið þétt og árekstrar sameindanna svo tíðir að forboðnu færslurnar ná ekki að gerast. Hins vegar hafa menn getað líkt eftir litrófi norðurljósanna í tilraunastofum.

Auk þess sem sjálf orkustig sameinda og frumeinda eru háð efninu og jónunarástandi þess eins og áður er sagt, þá fer það eftir orku örvunaragnanna, í þessu tilviki fyrst og fremst rafeindanna í sólvindinum, hvort tiltekið orkustig næst eða ekki, en af því ræðst síðan hvort litirnir sem samsvara orkustiginu koma fram í útgeisluninni frá gasinu.

Þannig eru sjaldgæf rauð norðurljós komin frá súrefni í mikilli hæð, yfir 200 km. Súrefni í um 100 km hæð myndar skæran gulan og grænan lit sem er bjartasti og algengasti liturinn í norðurljósum. Blár og fjólublár litur kemur frá jónuðum nitursameindum en óhlaðið nitur gefur rauðan lit. Purpurarauður litur við neðri rönd og gáraða jaðra á norðurljósum kemur einnig frá nitursameindum.

Heimildir:

Vefsetur tengt Háskólanum í Alaska (Poker Flat Research Range í Fairbanks).

Vefsíða um liti í norðurljósum

Herzberg, Gerhard, 1944. Atomic Spectra and Atomic Structure. New York: Dover. Myndin er einnig fengin þaðan.

Höfundar

Þorsteinn Vilhjálmsson

prófessor emeritus, ritstjóri Vísindavefsins 2000-2010 og ritstjóri Evrópuvefsins 2011

heimspekinemi við HÍ

Útgáfudagur

18.4.2001

Spyrjandi

Anna Jóna Þórðardóttir, f. 1987

Tilvísun

Þorsteinn Vilhjálmsson og Ögmundur Jónsson. „Af hverju eru norðurljós í mismunandi litum?“ Vísindavefurinn, 18. apríl 2001. Sótt 5. maí 2021. http://visindavefur.is/svar.php?id=1512.

Þorsteinn Vilhjálmsson og Ögmundur Jónsson. (2001, 18. apríl). Af hverju eru norðurljós í mismunandi litum? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=1512

Þorsteinn Vilhjálmsson og Ögmundur Jónsson. „Af hverju eru norðurljós í mismunandi litum?“ Vísindavefurinn. 18. apr. 2001. Vefsíða. 5. maí. 2021. <http://visindavefur.is/svar.php?id=1512>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Af hverju eru norðurljós í mismunandi litum?
Spurningunni Af hverju stafa norður- og suðurljósin? hefur áður verið svarað á Vísindavefnum. Í því svari Aðalbjörns Þórólfssonar og Ögmundar Jónssonar er meðal annars útskýrt hvað gerist þegar eindir úr sólvindinum koma inn í segulsvið jarðar:

Hlöðnu eindirnar sem fara inn í segulsvið jarðar hreyfast á miklum hraða eftir gormlaga brautum kringum segulsviðslínurnar milli segulskautanna. Rafeindir og róteindir streyma þannig í átt að segulpólunum og þegar nær dregur pólunum rekast eindirnar á lofthjúpinn, oftast í milli 100 og 250 km hæð. Orkan í rafeindunum og róteindunum örvar sameindir og frumeindir í lofthjúpnum en þær senda aftur á móti frá sér orkuna sem sýnilegt ljós sem við köllum norðurljós eða suðurljós eftir því við hvorn pólinn þau sjást. Litirnir sem við sjáum oftast eru grænn og rauð-fjólublár, en þeir stafa frá örvuðu súrefni annars vegar og örvuðu köfnunarefni eða nitri hins vegar.

Þegar hér er sagt að sólvindurinn örvi sameindir og frumeindir í lofthjúpnum er átt við að rafeindirnar í þessum eindum eða eindirnar sjálfar sem heild taka við aukaorku. Er þá sagt að þær færist upp í tiltekið orkustig með meiri orku en á grunnorkustiginu þar sem þær voru í upphafi. Bilin milli orkustiganna fara eftir því hvert frumefnið er, hvort eindir þess eru rafhlaðnar (jónaðar) og hvort sameindir þess hafa klofnað í frumeindir. Orkustigin eru hins vegar hin sömu fyrir allar eindir sem eins er ástatt um að þessu leyti. Viðar Guðmundsson útskýrir þetta í svari sínu við spurningunni Er hægt að líkja alheiminum við atóm? sem hér segir:
Sagt er að rafeindin geti aðeins haft strjál orkugildi meðan hún er í atóminu [frumeindinni, en einnig getur verið um sameind að ræða] á annað borð. Með því er átt við að orkan getur aðeins tekið ákveðin gildi sem hægt er að tiltaka með sérstökum hætti, en orkan getur ekki tekið gildin milli þeirra.
Þetta er oft orðað þannig að orkan sé skömmtuð. Eftir að frumeindir eða sameindir hafa verið örvaðar upp í tiltekið orkustig með þessum hætti færast eindirnar aftur niður á grunnorkustig og senda þá frá sér ljós eða aðra rafsegulgeislun með tiltekinni bylgjulengd og tíðni. Tíðnin samsvarar orkunni samkvæmt jöfnunni
E = h f
þar sem E er orkumunurinn milli orkustiganna, f er tíðnin og h er svokallaður fasti Plancks, sem er einn af grundvallarföstum náttúrunnar.


Margir af litum norðurljósanna myndast við svokallaðar forboðnar færslur eða ummyndanir milli orkustiga í sameindum og frumeindum í ystu lögum lofthjúpsins. Með því er átt við að færslurnar gerast ekki á þann hátt sem algengastur er og taka því talsvert lengri tíma en ella. Þetta gerist ekki við venjulegar aðstæður á jörðu niðri af því að hér er gasið þétt og árekstrar sameindanna svo tíðir að forboðnu færslurnar ná ekki að gerast. Hins vegar hafa menn getað líkt eftir litrófi norðurljósanna í tilraunastofum.

Auk þess sem sjálf orkustig sameinda og frumeinda eru háð efninu og jónunarástandi þess eins og áður er sagt, þá fer það eftir orku örvunaragnanna, í þessu tilviki fyrst og fremst rafeindanna í sólvindinum, hvort tiltekið orkustig næst eða ekki, en af því ræðst síðan hvort litirnir sem samsvara orkustiginu koma fram í útgeisluninni frá gasinu.

Þannig eru sjaldgæf rauð norðurljós komin frá súrefni í mikilli hæð, yfir 200 km. Súrefni í um 100 km hæð myndar skæran gulan og grænan lit sem er bjartasti og algengasti liturinn í norðurljósum. Blár og fjólublár litur kemur frá jónuðum nitursameindum en óhlaðið nitur gefur rauðan lit. Purpurarauður litur við neðri rönd og gáraða jaðra á norðurljósum kemur einnig frá nitursameindum.

Heimildir:

Vefsetur tengt Háskólanum í Alaska (Poker Flat Research Range í Fairbanks).

Vefsíða um liti í norðurljósum

Herzberg, Gerhard, 1944. Atomic Spectra and Atomic Structure. New York: Dover. Myndin er einnig fengin þaðan....