Noorderlicht AT3B - Stella Maris College

Noorderlicht
AT3B
Inhoudsopgave:
1. Hoe ontstaat de zonnewind?
2. Waaruit bestaat de zonnewind
3. Waar komt het aardmagnetisch veld
vandaan
4. Hoe is een atoom opgebouwd
5. Schilelectronica in het atoom,
energieniveaus van het electron in het
atoom, Pauli Wolfgang
6. Hoe ontstaat het noorderlicht
7. Wat veroorzaakt de verschillende kleuren
in het noorderlicht
-(versie van het groepje van Julie)
-(versie van het groepje van Ellen)
8. Bronvermelding
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Bladzijde: 2
Bladzijde: 3
Bladzijde: 4-5
Bladzijde: 6-7
Bladzijde: 8-9
Bladzijde: 10
Bladzijde: 11 t/m 14
Bladzijde: 15 t/m 18
Bladzijde: 19
Pagina 1
1.Hoe ontstaat de zonnewind?
Een zonnewind (ook wel zonnestorm genoemd) ontstaat door een explosie op het
oppervlak van de zon waardoor een grote hoeveelheid aan elektrisch geladen
deeltjes kan ontsnappen.
In en rondom het oppervlak van de zon zwerven protonen en elektronen rond met
een gemiddelde snelheid van zo’n 145 km/s).
De zon is natuurlijk heel warm (ongeveer een miljoen graden kelvin = ongeveer
999730 graden Celsius).
Door de warmte en hoeveelheid energie in de zon wil de druk nog wel eens hoog
oplopen.
Als de drukte groot word ontstaat er een explosie waardoor een enorme hoeveelheid
elektrisch geladen deeltjes de ruimte in worden geschoten.
Als de deeltjes een bepaalde snelheid hebben bereikt die groot genoeg is om aan de
zwaartekracht van de zon te ontsnappen (618 km/s) worden ze o.a. door de
zwaartekracht van de aarde (het magnetisch veld van de aarde) aangetrokken.
De zon verliest jaarlijks een enorme hoeveelheid aan geladen deeltjes (per jaar
60x10tot de macht 15 kg).
En dat maal de 4,6 miljard jaar van haar bestaan kom je uit op ongeveer 0.01
procent van de originele massa van de zon.
Een aantal van deze deeltjes is dus bij de aarde terechtgekomen waar het soms
gezien kan worden als het prachtige natuurverschijnsel: het noorderlicht of
de aurora borealis.
Omdat de zwaartekracht van de aarde sterker is rond de polen is het noorderlicht
alleen te zien rond de noord- en de Zuidpool.
Deze constante stroom van deeltjes noemen we een zonnewind.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 2
2. Waaruit bestaat de zonnewind?
De zonnewind is een plasma: een stroom geladen deeltjes (ionen en elektronen) die
voortdurend ontsnappen uit de Zon naar de ruimte. De buitenste laag van de zon
heet de corona. De corona kan een temperatuur van ruim 1 miljoen graden bereiken.
Bij deze temperatuur kan het magnetische veld van de Zon de snel bewegende
deeltjes niet meer vasthouden en dus waaien deze deeltjes weg van de Zon.
Op een zekere hoogte boven het oppervlak
van de Zon is de bewegingssnelheid van de
elektronen zo hoog (verschillende duizenden
km/s) dat ze zich losmaken van de
zwaartekrachtsgreep van de Zon, en positief
geladen ionen met zich meevoeren. De
zonnewind verspreidt zich dan in de
interplanetaire ruimte.
Het magneetveld van onze planeet beschermt ons bijna volledig tegen de
aanstromende zonnewind door die af te leiden. Maar er bestaan zwakke zones in dit
natuurlijke beschermingsschild. In de buurt van de polen zorgen de krachtlijnen van
het magnetisch veld voor "trechters" waar deze deeltjes kunnen binnendringen.
De activiteit van de Zon verandert met een 11-jarige cyclus waarbij het aantal
zonnevlekken, de stralingsniveaus en de hoeveelheid uitgestoten materiaal
veranderen. Deze veranderingen hebben hun invloed op de eigenschappen van de
zonnewind, inclusief de eigenschappen van het magnetische veld, de snelheid, de
temperatuur en de dichtheid.
De zonnewind kan anders zijn afhankelijk van de plaats op zon waar de wind is
ontstaan en hoe snel dat deel van de Zon
draait.
Boven gaten in de corona is de snelheid van
de zonnewind groter. Daar kunnen snelheden
bereikt worden tot 800 kilometer per seconde.
Boven een gat in de corona zijn de
temperatuur en de dichtheid lager en is het
magnetische veld zwakker. De veldlijnen staan
open naar de ruimte. Deze gaten in de corona
komen voor aan de polen en op lage breedtes
en zijn het actiefst als de Zon zich in een
maximum bevindt. De temperatuur in de
zonnewind kan oplopen tot 800.000° Celsius.
De snelheden van de zonnewind rond de evenaar zijn met 300 kilometer per
seconde een stuk langzamer. In deze langzamere winden kan de temperatuur
oplopen tot 1.6 miljoen graden Celsius.
De wind die van de Zon afblaast neemt geladen deeltjes en magnetische wolken
mee. Deze materie wordt in alle richting verdeeld. Een gedeelte van de zonnewind
waait voortdurend richting onze planeet en dat geeft interessante effecten.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 3
3. Waar komt het
aardmagnetisch veld
vandaan?
Je moet eerst weten wat het
aardmagnetisch veld is. Dit is een
veld rondom de aarde. Je moet je de
aarde voorstellen als een hele grote
magneet. De magneet heeft twee
uiteinden, de noord en zuidpool. Daartussen in zit het aardmagnetisch veld.
Aardmagnetisch veld schematisch weergegeven; normaal gesproken vertoont het
aardmagnetisch veld een regelmatig patroon van veldlijnen
Het aardmagnetisch veld is heel belangrijk voor het leven. Zonder dit veld zouden
kompassen niet meer werken, maar nog veel belangrijker: zonder het veld zou de
dodelijke zonnewind de atmosfeer rondom de aarde bijna helemaal wegblazen. Deze
atmosfeer beschermt de aarde tegen gevaarlijke stralingen uit het heelal, waardoor
het aardoppervlak aan de dodelijke straling vanuit de ruimte zou worden
blootgesteld.
Toch is het aardmagnetisch veld pas 3.2 miljard jaar oud, terwijl de aarde al zo een
4.4 miljard oud is.
Hier is een verklaring voor namelijk: het aardmagnetisch veld berust op de
dynamowerking (de binnenkern van de aarde is vast; de buitenkant van de kern is
vloeibaar). De aarde draait rond; door het dichtheidsverschil ontstaat er een
magnetisch veld; bewegende delen wekken stroom op) dit is het gevolg van het
verschillend roteren van de vloeibare binnenkern en vaste buitenkern van de aarde.
In de vloeibare buitenkant van de kern zitten metalen waarvan de elektronen
meedraaien met de stroming en vanzelf energie opwekken.
De aardkorst en de twee kernen: de buitenkern bestaat uit vloeibaar ijzer, de
binnenkern is door de enorme druk van vast ijzer. Het aardmagnetische veld ontstaat
door de dynamowerking tussen de (draaiende) vaste binnenkern en vloeibare
buitenkern van de aarde.
Het veld kon zich pas ontwikkelen toen de oorspronkelijke volledige gemengde
bouwstenen van de aarde zich door verschillen in
de dichtheid voldoende van elkaar hadden
afgescheiden om schillen te vormen. Wanneer dit
precies plaatsvond is niet geheel duidelijk. Nu blijkt
uit de analyse van kristallen van 3.2 miljard jaar
oud dat er ook toen al een aardmagnetisch veld
had moeten bestaan. In bepaalde opzichten is dat
best wel verrassend, want volgens theoretische
modellen is 3.2 miljard geleden zo een beetje het
allereerst moment waarop zich een vaste aardkern
kon hebben ontwikkeld.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 4
Net als bij een dynamo of
elektromagneet wordt met het
principe van inductie een stroom
opgewekt en ontstaat het
aardmagneetveld. Men noemt dit
de geodynamo, waarbij het
aardmagnetisch veld uit
kinetische energie van de
buitenkern ontstaat.
De Corioliskracht zal ervoor
zorgen dat de magnetische polen
altijd in de buurt van de
rotatiepolen van de Aarde liggen.
Onze buren in de ruimte hebben
ook een aardmagnetisch veld gehad, namelijk de maan en mars. Dat moeten ze
ongeveer 3 tot 4 miljard jaar geleden zijn kwijtgeraakt, waarschijnlijk omdat ze toen al
zo ver waren afgekoeld dat ze geen vloeibare kern meer hadden (ze zijn immers een
stuk kleiner dan de aarde en koelen dus sneller af). Er kon dus geen dynamowerking
ontstaan. Door de zonnewind is de atmosfeer geheel weg.
Dankzij een nieuwe techniek is bekend geworden dat het vroege aardmagnetisch
veld minimaal half zo sterk moet zijn geweest als het huidige veld. Deze nieuwe
techniek is het verhitten van individuele kristallen met een laser en het meten hun
magnetische sterkte met een SQUID (Superconducting Quantum Interface Device).
Het oudst bekende aardmagnetisch veld van ‘normale’ sterkte dat tot nu toe bekend
is, heeft een leeftijd van ongeveer 2,5 miljard jaar. In de kwarts- en
veldspaatkristallen die behandeld zijn komen kleine insluitsels voor, die het
aardmagnetisch veld weergeven van de de tijd dat ze zijn ingesloten.
Om na te gaan of de gevonden waarden tot het aardmagnetisch veld behoorden,
moesten er een aantal dingen worden uitgesloten, zoals de invloed van
verontreiniging en latere veranderingen van het ‘opgeslagen’ aardmagnetisch veld.
Tot nu toe kon dit nauwelijks, omdat de tientallen jaren gebruikte techniek gebaseerd
was op analyse van gesteentemonsters van enkele centimeters groot. Ook de ligging
van de onderzochte gesteenten ten opzicht van de toenmalige magnetische polen
speelden een grote rol. Met bepaalde methoden voor gesteenten van gelijke leeftijd
kon de poolpositie bepaald worden en bleek het onwaarschijnlijk te zijn dat de
nieuwe technieken de resultaten hadden beïnvloed.
Het aardmagnetisch veld is de basis voor de werking van het kompas, een belangrijk
navigatiemiddel voor de zeevaart. Magnetische metingen zijn ook van nut bij
geofysische exploratie en zijn verder belangrijk voor de scheepvaart, ruimtevaart en
de geodesie.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 5
4.Hoe is een atoom opgebouwd?
Een atoom is opgebouwd uit een positieve atoomkern bestaande uit protonen en
neutronen met daar omheen een negatieve wolk van elektronen. De lading van de
elektronenwolk is precies even groot als die van de atoomkern; het atoom is als
geheel neutraal van lading.
De atoomkern
De atoomkern is het centrum van een atoom en bestaat dus uit protonen en
neutronen. De positieve lading van de kern wordt veroorzaakt door de protonen.
Neutronen hebben geen lading.
De elektronenwolk
De elektronenwolk die zich rond om de atoomkern bevindt bestaat uit één of
meerdere negatief geladen deeltjes: de elektronen. De elektronen zijn de
belangrijkste deeltjes van een atoom: zij zorgen voor het vormen van chemische
bindingen.
Omdat een atoom neutraal van lading is, is het aantal protonen in de kern gelijk aan
het aantal elektronen in de elektronenwolk.
ONTHOUD: Voor elk atoom geldt dat het aantal protonen gelijk is aan het aantal
elektronen.
De elektronen cirkelen rond de atoomkern in banen met een verschillende diameter.
We noemen deze banen ook wel schillen.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 6
Schematische weergave van een zuurstofatoom.
Zuurstof bezit 8 protonen en 8 neutronen in de kern
en heeft 8 elektronen verdeeld over twee schillen.
Niet alle schillen bevatten evenveel elektronen. De elektronen in de buitenste schil
zijn het belangrijkst. Deze elektronen zijn namelijk betrokken bij het vormen en
verbreken van chemische bindingen tussen atomen. De elektronen in de buitenste
schil worden ook wel de valentie-elektronen genoemd.
Het aantal elektronen dat een schil maximaal kan bevatten, staat weergegeven in
onderstaande tabel:
Maximaal aantal elektronen in een schil *
nummer schil
1 2 3
4
...
Max. aantal elektronen in de schil
2 8 18 32 ...
* De algemene formule is: 2n2 (met n = nummer van de schil)
Het nummer van een periode in het periodiek systeem komt overeen met het aantal
schillen dat in gebruik is.
Voorbeeld
Zuurstof (O) heeft atoomnummer 8 en staat in periode 2 van het periodiek systeem.
Het heeft dus 8 elektronen die verdeeld zijn over 2 schillen. Schil 1 bevat dan twee
elektronen en schil 2 zes elektronen. De zes elektronen in de tweede schil zijn bij
zuurstof de valentie-elektronen.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 7
5. Schilelectronica in het atoom,
energieniveaus van het elektron in atoom, Pauli
Wolfgang
Het poollicht:
Het poollicht is een lichtverschijnsel in de aardatmosfeer dat bij duisternis kan
worden waargenomen. Je ziet het vooral op hoge geografische breedtes, dit
betekent dat het verschijnsel vooral 's winters zichtbaar is. Andere namen zijn
noorderlicht (aurora Borealis) en zuiderlicht (aurora australis). Als het poollicht er is,
zie je vaak een lichte gloed of is het licht zichtbaar als bewegende bogen,
stralenbundels of gordijnen van licht en heel zelden is het zelfs vlammend.
Het poollicht is het gevolg van de botsing van zonnedeeltjes met zuurstofatomen en
stikstof atomen in de bovenste atmosfeer van de aarde. Om dit te kunnen snappen
moet we eerst begrijpen hoe een atoom is opgebouwd:
Een atoom is opgebouwd uit een positieve atoomkern, waarin de protonen en de
neutronen zitten, En een negatieve wolk van elektronen eromheen. De lading van de
elektronen wolk is precies even groot als de lading van de atoomkern. Het atoom is
als geheel altijd neutraal van lading. We weten dus dat een atoom altijd neutraal
geladen is. Het enige deel van het
atoom dat die lading kan veranderen
is de elektronen wolk. Deze bestaat uit
allerlei elektronenschillen.
Niet alle schillen bevatten evenveel
elektronen. De elektronen in de
buitenste schil zijn het belangrijkst.
Deze elektronen zijn namelijk
betrokken bij het vormen en verbreken
van chemische bindingen tussen
atomen. De elektronen in de buitenste
schil worden ook wel de valentie-elektronen genoemd.
Voor de vorming van het poollicht zijn er zuurstof en stikstof atomen nodig
De atomen komen in botsing met de zonnedeeltjes en raken daardoor in een
aangeslagen toestand, waarbij de elektronen meer energie krijgen. Hierdoor
springen alle elektronen in een andere baan, en komen de buitenste elektronen in
een grotere baan terecht. Als de aangeslagen atomen weer terug gaan naar hun
oorspronkelijke energietoestand, stralen ze energie uit in de vorm van licht.
Dit licht nemen wij als poollicht waar.
Energieniveaus van het elektron in het atoom:
Elektronen bevinden zich in een atoom in een
elektronenwolk rond de atoomkern. De
elektronen bewegen niet willekeurig door de
elektronenwolk. Ze zijn verdeeld over een
aantal schillen (energieniveaus). De verdeling
van de elektronen van een bepaald atoom
over de beschikbare energieniveaus heet
elektronenconfiguratie.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 8
Er wordt onderscheid gemaakt tussen twee soorten energieniveaus:
de hoofdniveaus en de subniveaus.
Hoofdniveau
Het aantal elektronen dat zich maximaal op een hoofdniveau kan bevinden, staat in
de tabel hieronder.
Maximaal aantal elektronen in een schil:
nummer schil
1
2
Max. aantal elektronen in de schil
2
8
3
1
8
4
3
2
...
d
1
0
f
1
4
...
2
* De algemene formule is: 2n (met n = nummer van de schil)
Het nummer van een periode in het periodiek systeem komt overeen met het
nummer van het aantal hoofdniveaus dat in gebruik is.
Maar niet alle hoofdniveaus hoeven maximaal gevuld zijn. Soms zitten elektronen al
in een volgend hoofdniveau terwijl een vorig hoofdniveau nog niet helemaal vol is.
De verschillende hoofdniveaus worden soms aangeduid als K, L, M en N-schillen.
Subniveau
Met uitzondering van hoofdniveau 1 zijn alle andere hoofdniveaus onderverdeeld in
verschillende subniveaus. Deze subniveaus worden aangegeven met de letters s, p,
d en f. Hoeveel elektronen een subniveau maximaal kan opnemen staat in de tabel
hieronder:
Maximaal aantal elektronen inde subniveaus
subniveau
s
p
Max. aantal elektronen
2
6
Alle subniveaus verschillen onderling in energie. Het vullen van de niveaus met
elektronen gebeurd in volgorde van toenemende energie.
De eerste twee elektronen
uit hoofdniveau 1 zullen zich alle twee naar subniveau’ s gaan.
2
Dit wordt aangegeven als 1s . De acht elektronen uit het tweede hoofdniveau zijn
2
6
verdeeld over de subniveau’ s en p: 2s 2p .
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 9
6. Hoe ontstaat het noorderlicht?
Het noorderlicht of 'aurora borealis' is
een verschijnsel dat zowel bij de
Noord- als bij de Zuidpool kan
worden waargenomen.
Zo'n ‘aurora borealis’ is een
spectaculaire lichtshow, waarbij hoog
in de lucht groene en rode banden
ontstaan. Het noorderlicht valt altijd
samen met hoge activiteit van de zon.
Daardoor ontdekten wetenschappers
dat de zon iets te maken had met het
noorderlicht. Regelmatig ontstaan op
de zon de zogenaamde
zonnevlammen. Dat zijn reusachtige
uitbarstingen met een energie die gelijk staat aan tien miljard kernproeven. Door zo'n
zonnevlam wordt een groot aantal geladen deeltjes de ruimte in geslingerd. Een
aantal van deze deeltjes bereikt enige dagen later de aarde, dan kan het noorderlicht
ontstaan.
Een magneet
De aarde is een grote magneet. Als de geladen
deeltjes in het magnetisch veld van de aarde
terechtkomen, worden ze automatisch in de richting
van de polen getrokken. Daar komen ze terecht in
de atmosfeer. Als de deeltjes botsen met
gasmoleculen in de lucht, komt er energie vrij in de
vorm van licht. Dat gebeurt op precies dezelfde
manier als in TL- en neonlampen. De meest
voorkomende gassen in onze atmosfeer zijn zuurstof en stikstof. Botsingen met
zuurstofatomen leveren groen en rood licht op, botsingen met stikstofatomen rood
licht. Daarnaast ontstaat ook violet licht, maar die kleur kan ons oog niet goed zien.
Doordat het aard- magnetisch veld de deeltjes van de zon naar de polen
transporteert, kunnen we de ‘aurora borealis alleen boven de poolcirkel regelmatig
bewonderen. Bij een zeer hoge activiteit van de zon is het noorderlicht ook op lagere
breedte- graden te zien is, in zeldzame gevallen zelfs in Nederland.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 10
7. Wat veroorzaakt de verschillende kleuren in
het noorderlicht? (Julie ’s groepje)
De kleur van het noorderlicht hangt in de eerste plaats af van het soort molecule of
atoom waarmee de geladen deeltjes in botsing komen.
Zuurstofatomen zijn de bron van het meest voorkomende noorderlicht. Afhankelijk
van het energieniveau van de aangeslagen toestand zal het licht na een botsing met
zuurstofatomen een rode of groene kleur hebben.
De gevoeligheid van het menselijke oog voor het rode licht dat op 630,0nm wordt
uitgezonden is slechts 1/5 van de gevoeligheid voor het groene licht dat op 557,7nm
wordt uitgezonden. Wanneer er gebotst wordt met stikstofmoleculen (N2) levert dat
paars of rood noorderlicht op.
Bijgevolg is het voor de kleur van groot belang hoe diep de geladen deeltjes kunnen
doordringen in onze atmosfeer. Want de kleur is dus oa. afhankelijk van de
moleculen waarmee gebotst wordt, en dus van de samenstelling van de
atmosfeerlaag waar de botsingen plaatsvinden. Het hangt van de energie-inhoud van
de zonnewind af tot in welke laag van de atmosfeer de geladen deeltjes zullen weten
door te dringen.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 11
Types noorderlicht op basis van de kleuren
Type D: Volledig rood noorderlicht
Wanneer de zonnewind voornamelijk
bestaat uit elektronen met een energieinhoud beneden de 500eV of protonen met
een energie-in houd van slechts enkele keV,
dan kunnen de deeltjes niet veel dieper in
onze atmosfeer doordringen dan tot zo'n
200km boven het aardoppervak.
Op die hoogte zijn er voornamelijk zuurstof-,
waterstof- en heliumatomen aanwezig.
Botsingen met waterstof- en heliumatomen
veroorzaken onvoldoende licht om met het blote oog te kunnen worden
waargenomen.
Het licht zal dus voornamelijk afkomstig zijn van zuurstofatomen. Vanwege de lage
energie-inhoud zullen deze atomen voornamelijk tot de eerste verhoogde
energietoestand worden gebracht, waardoor er rood licht (630,0nm) zal worden
gegenereerd wanneer deze atomen terugkeren naar hun grondtoestand.
Type C: Volledig groen noorderlicht
Wanneer de zonnewind
voornamelijk bestaat uit elektronen
met een energie-inhoud van
ongeveer 10keV en protonen met
een energie-inhoud van enkele
honderden kV, dan zal deze
zonnewind het grootste deel van
zijn energie verliezen in een zone
van 100 tot 150km boven het
aardoppervlak. In deze laag botsen
de geladen deeltjes voornamelijk
met stikstofmoleculen (N2) en
zuurstofatomen (O). Hoe hoger
boven het aardoppervlak, hoe minder N2 en hoe meer O.
Bij botsingen met stikstofmoleculen wordt ogenblikkelijk licht in het blauwe en violette
deel van het spectrum uitgezonden, en ook uit het rode deel. Voor al deze
golflengtes is ons menselijke oog echter minder gevoelig. Daardoor zal het vooral
groene licht zijn dat overheerst, veroorzaakt door de botsingen met zuurstofatomen.
Vanwege de hogere energie-inhoud van de deeltjes kunnen deze nu namelijk wel
deels tot de tweede verhoogde energietoestand worden gebracht. Na 0,7sec vallen
deze dan terug naar de eerste verhoogde energietoestand door het uitzenden van
groen licht. (557,7nm) Vervolgens zouden ze gedurende 110 seconden in die eerste
verhoogde energietoestand blijven alvorens terug te vallen naar de grondtoestand
middels het uitzenden van rood licht. De kans is zeer groot dat er ondertussen
gebotst wordt met andere atomen waardoor dat rode licht er dus niet van komt.
Wanneer dat toch gebeurt zal dit licht echter overtemd worden door het groene licht,
waarvoor ons oog veel gevoeliger is.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 12
Type A: Groen noorderlicht met een rode bovengloed
Dit is een mix van types D en
C, waarbij de verhouding van
laag-energetische t.o.v. hoogenergetische deeltjes bepaalt
hoe duidelijk het rode licht aan
de bovenkant zichtbaar zal
worden. Elektronen
veroorzaken overigens veel
meer zichtbaar licht dan
protonen.
Noorderlicht vanuit het internationaal ruimtestation ISS
Type B en Type E: Groen noorderlicht met een rode onderrand
Deze types zijn identiek wat kleuren betreft, waarbij type E echter veel sneller
beweegt.
Ze ontstaan wanneer de zonnewind voldoende energie bevat om te kunnen
doordringen tot een laag tussen 70 en 100km hoogte boven het aardoppervlak. Hier
bevat de atmosfeer 78% stikstofmoleculen (N2) en slechts 21% zuurstofmoleculen
(O2). Het zijn hier dan ook vooral de stikstofmoleculen die ogenblikkelijk voor rood
noorderlicht zorgen, op een golflengte die makkelijk te zien is met het blote oog.
Zuurstofatomen (O) komen in deze laag nauwelijks voor maar zorgen boven de
100km voor het groene licht, en stikstofmoleculen en zuurstofmoleculen zorgen voor
rood licht in de zone tussen 70 en 100km.
Wanneer het noorderlicht snel beweegt (type E) kunnen de rode gordijnen door de
ogenblikkelijke excitatie van
het licht voortijlend op de
groene gordijnen gezien
worden, welke pas 0,7
seconden na de botsing
ontstaan.
Wanneer Type B en Type E
gelijktijdig voorkomen kan
het zijn dat je de snel
bewegende rode banden in
de tegenovergestelde
richting ziet bewegen als de
groene banden.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 13
Type F: Purper-blauw noorderlicht vanwege zonlicht
Wanneer er in de late lente nog
zonlicht valt op de bovenste lagen
van de atmosfeer kunnen er daar
soms lange stralen van purperblauw noorderlicht worden
waargenomen.
Deze kleur is afkomstig van
stikstofmoleculen die energie
opnemen van het zonlicht bovenop
de energie die ze reeds hadden en
vervolgens ogenblikkelijk
uitzenden.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 14
7. Wat veroorzaakt de verschillende kleuren in
het noorderlicht? (Ellen ’s groepje)
De kleur van het noorderlicht hangt in de
eerste plaats af van het soort molecuul of
atoom waarmee de geladen deeltjes in
botsing komen.
Het meest voorkomende noorderlicht komt
door botsingen met zuurstofatomen. Een
zuurstofatoom kan 3 energieniveaus
hebben:
De grondtoestand
De 1ste opgewonden toestand
De 2de opgewonden toestand
In de grondtoestand heeft het zuurstofatoom het laagste energieniveau. Door de
botsing van de geladen deeltjes met het zuurstofatoom kan het zuurstofatoom in een
andere toestand komen (de 1ste opgewonden toestand of de 2de opgewonden
toestand). De toestand bepaalt welke kleur licht uitgezonden wordt.
Een zuurstofatoom kan de 2de opgewonden toestand maar 0,7 seconden vasthouden
voordat licht wordt uitgezonden. Het licht wordt uitgezonden met een golflengte van
557,7 nm. Het zuurstofatoom valt dan terug van de 2de opgewonden toestand naar
de 1ste opgewonden toestand. Een zuurstofatoom kan de 1ste opgewonden toestand
110 seconden vasthouden waardoor de kans groot is dat er in alweer met een ander
atoom wordt gebotst voordat licht uitgezonden wordt. Als er van de 1ste opgewonden
toestand wordt teruggekeerd naar de grondtoestand wordt licht uitgezonden met een
golflengte van 630,0 of 636,4nm.
De gevoeligheid van het menselijke oog voor het rode licht dat op 630,0nm wordt
uitgezonden is slechts 1/5 van de gevoeligheid voor het groene licht dat op 557,7nm
wordt uitgezonden.
Als de geladen deeltjes botsen met stikstofmoleculen levert dat paars of rood
noorderlicht op.
Voor de kleur van het Noorderlicht is het van groot belang hoe diep de geladen
deeltjes kunnen doordringen in onze atmosfeer. De kleur is dus o.a. afhankelijk van
de moleculen waarmee gebotst wordt, en dus van de samenstelling van de
atmosfeer laag waar de botsingen plaatsvinden. Het hangt van de energie-inhoud
van de zonnewind af tot in welke laag van de atmosfeer de geladen deeltjes zullen
weten door te dringen.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 15
Types noorderlicht op basis van de kleuren
Type D: Volledig rood noorderlicht
Als de zonnewind voornamelijk bestaat uit
energiedeeltjes met een lage energie, dan kunnen de deeltjes niet veel dieper in
onze atmosfeer doordringen dan tot ong. 200km boven het aardoppervlak.
Op die hoogte zijn er voornamelijk zuurstof-, waterstof- en heliumatomen aanwezig.
Bij de botsingen met waterstofen heliumatomen wordt
onvoldoende licht uitgestraald om
met het blote oog te kunnen zien.
Het licht zal dus voornamelijk
afkomstig zijn van
zuurstofatomen. Vanwege de
lage energie-inhoud zullen deze
atomen voornamelijk tot de 1ste
opgewonden toestand worden
gebracht, waardoor
er rood licht (630,0nm) zal
worden uitgezonden wanneer
deze atomen terugkeren naar hun
grondtoestand.
Type C: Volledig groen noorderlicht
Als de zonnewind voornamelijk
bestaat uit
elektronen met een energie-inhoud
van ongeveer
10keV en protonen met een
energie-inhoud van
enkele honderden keV, dan zal de
zonnewind het grootste deel van zijn
energie verliezen op een hoogte van
100 tot 150km boven het
aardoppervlak. Op die hoogte
botsen de deeltjes voornamelijk met
stikstofmoleculen en
zuurstofatomen. Hoe hoger boven
het aardoppervlak, hoe minder
stikstofmoleculen en hoe meer
zuurstofatomen.
Bij botsingen met stikstofmoleculen
wordt meteen blauw, violet en rood licht uitgezonden. Voor dit licht is het menselijk
oog echter minder gevoelig. Daardoor zal voornamelijk groen licht worden
waargenomen, dat ontstaat door de botsingen met zuurstofatomen. Vanwege de
hogere energie-inhoud van de deeltjes kunnen de zuurstofatomen nu wel de 2 de
opgewonden toestand bereiken. Na 0,7sec vallen de zuurstofatomen dan terug naar
de 1ste opgewonden toestand door het uitzenden van groen licht. Vervolgens blijven
de zuurstofatomen gedurende 110 seconden in de 1ste opgewonden toestand.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 16
Daarna vallen de zuurstofatomen terug naar de grondtoestand. Hierbij wordt rood
licht uitgezonden. De kans is zeer groot dat er ondertussen gebotst wordt met andere
atomen waardoor het rode licht er dus niet komt. Wanneer dat toch gebeurt zal dit
licht echter overstemd worden door het groene licht, waarvoor ons oog veel
gevoeliger is.
Type A: Groen
noorderlicht met een
rode bovengloed
Dit is een combinatie van de
types D en C. De
verhouding van het aantal
deeltjes met een lage
energie t.o.v. het aantal
deeltjes met een hoge
energie bepaalt hoe duidelijk
het rode licht aan de
bovenkant zichtbaar zal
worden. Elektronen
veroorzaken overigens veel
meer zichtbaar licht dan
protonen.
Noorderlicht vanuit het internationaal ruimtestation ISS
Type B en Type E: Groen noorderlicht met een rode onderrand
Deze types hebben dezelfde
kleuren, waarbij type E echter
veel sneller beweegt.
Ze ontstaan als de zonnewind
voldoende energie heeft om
door te kunnen dringen tot een
hoogte tussen 70 en 100km
boven het aardoppervlak. Op
die hoogte bevat de atmosfeer
78% stikstofmoleculen en
slechts 21%
zuurstofmoleculen. Vooral de
stikstofmoleculen zorgen
meteen voor rood noorderlicht.
Dit rood licht wordt uitgezonden op een golflengte die gemakkelijk te zien is met het
blote oog. Zuurstofatomen komen op die hoogte nauwelijks voor maar zorgen boven
de 100km voor het groene licht. De stikstofmoleculen en zuurstofmoleculen zorgen
voor rood licht op een hoogte tussen 70 en 100km.
Wanneer het noorderlicht snel beweegt (type E) kan het rode licht ‘een voorsprong’
hebben op het groene licht, omdat het rode licht meteen ontstaat en het groene licht
pas na 0,7 seconden.
Wanneer Type B en Type E gelijktijdig voorkomen kan het zijn dat je het snel
bewegende rode licht in de tegenovergestelde richting ziet bewegen als het groene
licht.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 17
Type F: Purper-blauw noorderlicht vanwege zonlicht
Als er op het einde van de lente zonlicht valt op de bovenste lagen van de atmosfeer
kunnen er daar soms lange stralen van purper-blauw noorderlicht worden
waargenomen.
Deze kleur komt van stikstofmoleculen die energie opnemen van het zonlicht. Deze
energie komt bovenop de energie die de stikstofmoleculen al hadden. Deze energie
wordt meteen
uitgezonden.
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 18
8.Bronvermelding :
Vraag 1 : Hoe ontstaat zonnewind ?
Bron(nen) :
http://www.kuuke.nl/wp/
http://wetenschap.infonu.nl/
Vraag 2 : Waaruit bestaat zonnewind?
Bron(nen) :
http://www.kuuke.nl/wp/zonnestelsel/de-zon-2/wat-is-zonnewind/
http://www.aeronomie.be/nl/thema/zonnestelsel/zonnewindwatishet.htm
Vraag 3 : Waar komt het aardmagnetisch veld vandaan?
Bron(nen) :
http://www.sciencespace.nl/article/view.do?supportId=2616
http://www.kennislink.nl/publicaties/aardmagnetisch-veld-al-vroeg-ontstaan
http://www.kennislink.nl/publicaties/aardmagnetisch-veld-al-vroeg-ontstaan
Vraag 4 : Hoe is een atoom opgebouwd?
Bron(nen) :
http://www.aljevragen.nl/sk/atoombouw/ATM048.html
Vraag 5 : Schilelectronica in het atoom , energieniveaus van het
elektron in atoom, Pauli Wolfgang.
Bron(nen) :
http://www.aljevragen.nl/sk/atoombouw/ATM048.html
www.knmi.nl
http://scheikundehavo.webklik.nl/page/de-lading-van-ionen
Vraag 6 : Hoe ontstaat het noorderlicht ?
Bron(nen) :
http://www.natuurinformatie.nl/nnm.dossiers/natuurdatabase.nl/i001148.html
Vraag 7 : Verklaar de verschillende kleuren in het noorderlicht.
-Julie ’s groepje
Bron(nen) :
http://www.noorderlicht.nl/noorderlicht/noorderlicht-informatie/kleurenBron(nen)
noorderlicht/
-Ellen ’s groepje
http://www.noorderlicht.nl/noorderlicht/noorderlicht-informatie/wat-is-noorderlicht/
http://www.noorderlicht.nl/noorderlicht/noorderlicht-informatie/kleuren-noorderlicht/
Natuurkunde – Verslag Noorderlicht – AT3B
Pagina 19