Inhoudsopgave: Bladzijde: 2 Bladzijde: 3 Bladzijde: 4-5

Transcriptie

1 Noorderlicht AT3B

2 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 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 Natuurkunde Verslag Noorderlicht AT3B Pagina 1

3 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 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

4 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 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

5 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

6 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

7 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

8 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 Max. aantal elektronen in de schil * De algemene formule is: 2n 2 (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

9 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

10 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 Max. aantal elektronen in de schil * De algemene formule is: 2n 2 (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 d f 1 1 Max. aantal elektronen 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. Dit wordt aangegeven als 1s 2. De acht elektronen uit het tweede hoofdniveau zijn verdeeld over de subniveau s en p: 2s 2 2p 6. Natuurkunde Verslag Noorderlicht AT3B Pagina 9

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 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 1 ste opgewonden toestand De 2 de 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 1 ste opgewonden toestand of de 2 de opgewonden toestand). De toestand bepaalt welke kleur licht uitgezonden wordt. Een zuurstofatoom kan de 2 de 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 2 de opgewonden toestand naar de 1 ste opgewonden toestand. Een zuurstofatoom kan de 1 ste 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 1 ste 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

17 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 1 ste opgewonden toestand door het uitzenden van groen licht. Vervolgens blijven de zuurstofatomen gedurende 110 seconden in de 1 ste opgewonden toestand. Natuurkunde Verslag Noorderlicht AT3B Pagina 16

18 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

19 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

20 8.Bronvermelding : Vraag 1 : Hoe ontstaat zonnewind? Bron(nen) : Vraag 2 : Waaruit bestaat zonnewind? Bron(nen) : Vraag 3 : Waar komt het aardmagnetisch veld vandaan? Bron(nen) : Vraag 4 : Hoe is een atoom opgebouwd? Bron(nen) : Vraag 5 : Schilelectronica in het atoom, energieniveaus van het elektron in atoom, Pauli Wolfgang. Bron(nen) : Vraag 6 : Hoe ontstaat het noorderlicht? Bron(nen) : Vraag 7 : Verklaar de verschillende kleuren in het noorderlicht. -Julie s groepje Bron(nen) : noorderlicht/ Bron(nen) -Ellen s groepje Natuurkunde Verslag Noorderlicht AT3B Pagina 19