Hoe werkt het noorderlicht? De wetenschap achter dit lichtspektakel

Het noorderlicht ontstaat doordat geladen deeltjes van de zon botsen met gasmoleculen in de dampkring van de aarde. Die botsingen zorgen voor lichtflitsen, en omdat er miljoenen van die botsingen tegelijk plaatsvinden, zie je de kenmerkende golvende gordijnen van licht aan de hemel. Het is een volledig natuurlijk proces, maar de exacte uitkomst, de kleur, de vorm en de intensiteit, verschilt elke keer.

Het begint bij de zon

De zon stoot voortdurend een stroom van geladen deeltjes uit, voornamelijk elektronen en protonen. Dit heet de zonnewind. Die stroom raast met een snelheid van enkele honderden kilometers per seconde door de ruimte. Normaal gesproken beschermt het magnetisch veld van de aarde, de magnetosfeer, ons tegen die stroom. De deeltjes worden afgebogen en gaan langs de aarde heen.

Maar bij de magnetische polen is de magnetosfeer als het ware open. Daar buigen de magnetische veldlijnen naar binnen, richting de aarde. De geladen deeltjes uit de zonnewind volgen die veldlijnen en worden zo de dampkring in getrokken. Precies daarom zie je het noorderlicht vrijwel altijd dichtbij de noordpool, in een ring die de “auroral zone” wordt genoemd. Noorwegen, IJsland, Finland en Canada liggen grotendeels in of vlak bij die zone.

Hoe werkt het noorderlicht precies: botsingen en licht

Zodra de geladen deeltjes de dampkring binnendringen, botsen ze op grote hoogte met gasmoleculen. Stikstof en zuurstof zijn de voornaamste gassen in de dampkring, en dat is precies wat het noorderlicht zijn kleur geeft. Bij een botsing krijgt een gasmolecuul extra energie, het raakt “aangeslagen”. Dat is een instabiele toestand, en vrijwel direct geeft het molecuul die extra energie weer af als een lichtdeeltje, een foton. Dat is het licht dat jij aan de hemel ziet.

Dit proces speelt zich af op een hoogte van ruwweg 100 tot 300 kilometer boven het aardoppervlak. Op die hoogte zijn de gassen ijl genoeg dat de deeltjes ver kunnen doordringen voordat ze botsen, wat meteen verklaart waarom het licht zo hoog aan de hemel staat en zo groot lijkt.

Waar komen de kleuren vandaan?

De kleur van het noorderlicht hangt af van welk gas er oplicht en op welke hoogte dat gebeurt. Dit zijn de meest voorkomende kleuren en hun oorzaak:

• Groen: de meest geziene kleur. Ontstaat door zuurstof op een hoogte van ongeveer 100 tot 150 kilometer.
• Rood: ook zuurstof, maar dan hoger, boven de 150 kilometer. Zeldzamer, omdat er op die hoogte minder moleculen zijn om tegen te botsen.
• Blauw en paars: ontstaan door stikstof, meestal aan de onderrand van het lichtgordijn, op lagere hoogte.
• Roze en wit: een combinatie van stikstof en zuurstof op verschillende hoogtes tegelijk.

Groen is dominant omdat zuurstof op die tussenliggende hoogte het meest voorkomt én het makkelijkst oplicht bij botsingen met de zonnewinddeeltjes. Rode en paarse tinten zie je vaker tijdens periodes van sterke zonneactiviteit, omdat de deeltjes dan harder binnenkomen en ook hogere en lagere lagen bereiken.

De rol van de zonnevlekkenactiviteit

Hoe actief de zon is, bepaalt hoe spectaculair het noorderlicht kan zijn. De zon doorloopt een cyclus van ongeveer elf jaar, van een rustige periode naar een piek van activiteit en terug. Rond het zonneactiviteitsmaximum gooit de zon vaker en harder geladen deeltjes de ruimte in. Zonnevlekken, zonneflares en coronamassa-uitstoten zijn daarbij de voornaamste aanjagers. Bij een coronamassa-uitstoot schiet er in korte tijd een enorme wolk van geladen deeltjes de ruimte in. Als die wolk richting de aarde koerst, veroorzaakt hij 24 tot 72 uur later een geomagnetische storm. Hoe sterker die storm, hoe groter het gebied waar je het noorderlicht kunt zien.

Tijdens sterke geomagnetische stormen is het noorderlicht soms tot ver buiten de polaire zone zichtbaar, zoals in delen van Nederland en België. Dat is uitzonderlijk, maar het laat zien hoe groot de invloed van de zon op dit fenomeen is.

Noord- en zuiderlicht zijn hetzelfde verschijnsel

Wat bij de noordpool het noorderlicht is, heet bij de zuidpool het zuiderlicht (aurora australis). Het mechanisme is identiek. De aardse magnetosfeer heeft twee ingangen, een bij elke pool, en beide vangen dezelfde zonnewinddeeltjes op. De lichtgordijnen aan beide polen verschijnen vrijwel gespiegeld en tegelijk, omdat de zonnewind beide kanten van de magnetosfeer tegelijk raakt.

Het noorderlicht is dus geen mysterie, maar een prachtig samenspel van zonneactiviteit, aardmagnetisme en scheikundige reacties hoog in de dampkring. Elk verschijnsel aan de hemel, elke kleur en elke golfvorm, vertelt iets over welk gas er oplicht, hoe hoog en hoe hard de zon op dat moment actief is.