Inleiding. Verdeling. Eindredactie: Bas, Roeland, Laurens

Transcriptie

1 Het Noorderlicht

2 Inhoudsopgave 1. Inleiding en verdeling Bladzijde 2 2. Hoe ontstaat de zonnewind? Bladzijde 3 3. Waaruit bestaat de zonnewind? Bladzijde 4 4. Waar komt het aardmagnetisch veld vandaan? Bladzijde 6 5. Hoe is een atoom opgebouwd? Bladzijde 7 6. Schil- elektronica en energieniveaus van elektronen binnen de atoom Bladzijde 8 7. Hoe ontstaat het Noorderlicht? Bladzijde 9 8. Wat veroorzaakt de verschillende kleuren van het Noorderlicht? Bladzijde Birkeland Bladzijde Bronvermelding Bladzijde 12 1

3 Inleiding Het noorderlicht is een indrukwekkend natuurverschijnsel. In vroegere tijden hadden de mensen er geen wetenschappelijke verklaring voor en dachten ze aan buitenaardse of bovennatuurlijke oorzaken. De Noorse natuurkundige Birkland maakte zijn levenswerk van het onderzoeken van het noorderlicht. Om het ontstaan van het noorderlicht te kunnen begrijpen is het nodig om iets te begrijpen over zonnewind, aardmagnetisme, de opbouw van een atoom en het bestaan van energieniveaus in het atoom. Verdeling Deel 1. Anna, Robin en Peggy Deel 2. Lisa, Ody, Ruben Deel 3. Ayanne, Lysanne, Mira Deel 4. Tijn, Mees, Stan Deel 5. Guy, Max, Sjoerd Deel 6. Lonneke, Ezra, Hannah Deel 7. Dion, Rik, Dwayne, Deel 8. Tereza, Nathalie, Janne Eindredactie: Bas, Roeland, Laurens 2

4 1. Hoe ontstaat de zonnewind? Door de zonnewind stromen er geladen deeltjes en plasma van de Zon naar de ruimte. Wat veroorzaakt deze zonnewind en welke invloed heeft de zonnewind op Aarde? De buitenste laag van de zon is 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 waaien ze weg van de zon. 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. 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 geleden 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. Als materiaal dat door de zonnewind wordt meegevoerd het oppervlak van een planeet zou raken dan zou de straling zware schade toebrengen aan leven dat daar mogelijk aanwezig is. Het sterke magnetische veld van de aarde beschermt ons daartegen, het zorgt ervoor dat de schadelijke straling wordt afgebogen zodat het niet de oppervlakte van de planeet kan bereiken. De kracht van de zonnewind zorgt er wel voor dat het magnetische veld wordt vervormd: aan de zijde van de zon is het ingedeukt, aan de nachtzijde van de aarde is het uitgerekt. Soms spuwt de zon grote hoeveelheden plasma uit die bekend staan als zonnestorm. Ze komen tijdens een maximum vaker voor dan tijdens een minimum. Een zonnestorm heeft een veel sterker effect dan de standaard zonnewind. Als een zonnestorm het magnetische veld van de Aarde bereikt dan kan dat er toe leiden dat ook het magnetische veld aan de nachtzijde wordt ingedrukt. Geladen deeltjes stromen dan via de magnetische polen van de planeet naar binnen en veroorzaken daar een effect dat we Aurora Borealis noemen oftewel het Noorderlicht. Wordt dit verschijnsel aan de Zuidpool waargenomen dan noemen we dit Aurora Australis oftewel het Zuiderlicht. Bron: zon- 2/wat- is- zonnewind/ 3

5 2. Waaruit bestaat de zonnewind? Door de zonnewind stromen er geladen deeltjes en plasma van de Zon naar de ruimte. Hoewel de zonnewind constant is zijn de eigenschappen dat niet. Wat veroorzaakt deze zonnewind en welk invloed heeft de zonnewind op Aarde? De buitenste laag van de zon is 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 waaien ze weg van de Zon. 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 stof wordt in alle richting verdeeld. Een gedeelte van de zonnewind waait voortdurend richting onze planeet en dat geeft interessante effecten. Als materiaal dat door de zonnewind wordt meegevoerd het oppervlak van een planeet zou raken dan zou de straling zware schade toebrengen aan leven dat daar mogelijk aanwezig is. Het sterke magnetische veld van de Aarde beschermt ons daartegen, het zorgt er voor dat de schadelijke straling wordt afgebogen zodat het niet de oppervlakte van de planeet kan bereiken. De kracht van de zonnewind zorgt er wel voor dat het magnetische veld wordt vervormd: aan de zijde van de Zon is het ingedeukt, aan de nachtzijde van de Aarde is het uitgerekt. Soms spuwt de Zon grote hoeveelheden plasma uit, die bekend staan als zonnestorm of onder de Engelse naam Coronal Mass Ejections (CME). Een zonnestorm heeft een veel sterker effect dan de standaard zonnewind. Als een zonnestorm het magnetische veld van de Aarde bereikt dan kan dat er toe leiden dat ook het magnetische veld aan de nachtzijde wordt ingedrukt. Geladen deeltjes stromen dan via de magnetische polen van de planeet naar binnen en veroorzaken daar een effect dat we Aurora Borealis noemen oftewel het Noorderlicht. Wordt dit verschijnsel aan de zuidpool waargenomen dan noemen we dit Aurora Australis oftewel het Zuiderlicht. 4

6 Niet alle hemellichamen hebben een magneetveld dat hen beschermt tegen de schadelijke straling van de Zon. De Aardse Maan bijvoorbeeld heeft geen magneetveld, maar de planeet Mercurius heeft bijvoorbeeld wel een magneetveld dat sterk genoeg is om bescherming te bieden tegen de zonnewind, maar niet in staat is om de planeet te beschermen tegen een zonnestorm. Zonnevlek: plek op het oppervlak van de zon die donkerder is dan de rest Magnetisch veld: Een bepaalde ruimte die wordt beïnvloed door magnetisme als gevolg van de aanwezigheid van magneten, stroomgeleiders en elektromagnetische golven. Bron: zon- 2/wat- is- zonnewind/ 5

7 3. Waar komt het aardmagnetisch veld vandaan? Het magnetisch veld van planeten wordt veroorzaakt door het dynamo- effect. Dat effect ontstaat wanneer een gesmolten planeetkern van materiaal dat elektriciteit kan geleiden ronddraait en convectiestromen* teweegbrengt. Bewegende magneten wekken stroom op: dit wordt het dynamo- effect genoemd. Omgekeerd wekt elektrische stroom magneetkracht op. In de vloeibare buitenkern van de aarde houden magneetvelden en ijzerstromen elkaar gevangen en versterken ze elkaar. Het magneetveld dat uit het stroompatroon komt, is over de hele planeet en zelfs in de ruimte eromheen te meten. Trekvogels hebben zelfs een ingebouwd kompas om op het aardmagneetveld te navigeren. bron: Gary A. Glatzmaier (UCSC). * Stroming van enkele centimeters per jaar in het mantelmateriaal van de aarde door verschil in temperatuur. Heet en licht(er) materiaal vanuit de diepere lagen van de mantel stijgt op en koud(er) en zwaarder materiaal zakt naar de diepere lagen. Waar de convectiestroming een opwaartse component heeft breekt hij veelal door de aardkorst heen en veroorzaakt vulkanisme. Aarde als magneet De aarde gedraagt zich als een staafmagneet waarvan de magnetische zuidpool zich in de omgeving van de geografische Noordpool bevindt. De kompasnaald, óók 'n staafmagneetje, wijst het aardmagnetische noorden aan en wordt vanzelfsprekend aangetrokken door de magnetische zuidpool, wat dus het geografische noorden is!! Het magnetisch veld van een staafmagneet en van de aarde kun je zien op magnetisch veld Waarom de aarde magnetisch is, heeft dus te maken met haar vloeibare buitenkern. Door de inwendige hitte is het daar aanwezige ijzer vloeibaar en constant in beweging. Die beweging wekt de elektriciteit op die het aardmagnetisch veld veroorzaakt. De buitenkern van onze planeet werkt net als een grote dynamo. Het aardmagnetisch veld ziet er hetzelfde uit als het veld rondom een willekeurige magneet en bestaat uit magnetische lijnen die bij de noordpool in de aarde verdwijnen, om bij de zuidpool weer op te duiken. Alleen reikt zijn invloed wat verder dan die van onze kompasnaald. De magnetosfeer van de aarde strekt zich uit tot meer dan kilometer in de ruimte. Deze beschermt ons tegen het constante bombardement van hoog- energetische* deeltjes, afkomstig van de zon. Die deeltjes kunnen alleen nog via de "trechters" in de magnetosfeer boven de polen de aarde binnendringen waardoor het poollicht ontstaat. * energetisch Met betrekking tot arbeid of energie De geografische en de magnetische polen liggen niet helemaal op dezelfde plaats. De geografische polen liggen op de draaipunten van de aardas. De magnetische polen liggen daar ongeveer 1600 km vandaan. Als je vlakbij de Noordpool bent, kunt je dus niet meer navigeren met je kompas! Bron: 6

8 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.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. Atoomsoorten Het aantal protonen in de atoomkern bepaald met welk soort atoom we te maken hebben. Heeft een atoom bijvoorbeeld 7 protonen in de kern dan hebben we te maken met een stikstofatoom. Het aantal protonen van een atoom noemen we ook wel het atoomnummer. In binas- tabel 99 staan de atoomnummers van alle atomen weergegeven. Voorbeelden - boor heeft atoomnummer 5; het bevat dus 5 protonen - een atoom heeft 10 protonen; volgens binas- tabel 99 is dit neon (Ne) De som van het aantal protonen en neutronen wordt het massagetal genoemd. De meeste atomen kunnen meerdere massagetallen hebben. Dit betekent dat het aantal neutronen in een atoomkern kan variëren. In binas- tabel 25 vind je de massagetallen van een groot aantal atoomsoorten. Voorbeeld Waterstof heeft atoomnummer 1. Dit betekent dat waterstof 1 proton heeft. Om te weten hoeveel neutronen waterstof heeft kijken we naar het massagetal. In binas- tabel 25 vinden we dat waterstof drie verschillende massagetallen kan hebben. Heeft het massagetal 1 dan bevat het geen neutronen. Heeft het massagetal 2 dan bevat het één neutron. Heeft het massagetal 3 dan bevat het twee neutronen in de atoomkern. Atomen met hetzelfde atoomnummer maar verschillende massagetallen noemen we isotopen. Bron: 7

9 5. Schil- elektronica en energieniveaus van elektronen binnen het atoom (Pauli) Wolfgang Ernst Pauli was een Oostenrijks-Amerikaans natuurkundige en verrichtte veel werk op. het gebied van de kwantumtheorie. De onderstaande theorieën zijn naar hem vernoemd. In 1945 werd hem de Nobelprijs voor de Natuurkunde toegekend voor het opstellen van een nieuwe natuurwet; het Uitsluitingsprincipe van Pauli. Een atoom bestaat uit een kern en een schil. In dekern liggen de neutronen die neutraal geladen zijn en de protonen die positief geladen zijn. In de schil liggen de elektronen die negatief geladen zijn. Een atoom is elektrisch gezien altijd neutraal, daarom zijn het aantal protonen en elektronen altijd gelijk. De plaats van de elektronen kan nog wel eens verschillen. Buiten de kern van een atoom lopen namelijk allemaal ronde banen waar de elektronen in liggen. Als een atoom een klap krijgt door andere atomen die in beweging zijn gekomen door een kracht krijgt de schil die klap ook te voorduren. Als de kracht zo groot is kan het zijn dat de elektron in de schil van baan verwisseld. Dit duurt maar even want hij springt ook meteen weer terug. Wetenschappers zijn er nog niet achter hoe dit mogelijk is want een elektron kan niet tussen de twee baan inzitten. Het is óf op de ene baan óf op de andere baan. Die elektronenschillen worden onderverdeeld in subschillen. Het aantal schillen en subschillen van een atoom wordt gegeven door kwantumgetallen (n,m,l en s). Niet alle schillen bevatten evenveel elektronen (zie tabel hiernaast). De elektronen in de buitenste schil worden ook valentie-elektronen genoemd en zijn het belangrijkst. Deze zijn betrokken bij het vormen en verbreken van chemische verbindingen tussen atomen. 8

10 Het kan zelfs zijn dat er zo'n grote kracht op de schil wordt afgevuurd dat de elektron twee banen verder springt. Dan zijn er twee opties om terug te komen, stel dat een elektron in baan 1 zit en zo'n harde klap krijgt dat hij twee banen verder springt en in baan 3 terechtkomt. Optie één is dat hij meteen terug springt naar baan 1, maar hij kan het ook in twee kleine sprongetjes doen. Dan springt hij eerst van baan 3 naar baan 2 en dan weer terug naar baan 1. Schil Aantal elektronen Het springen van de ene baan naar de andere baan is bij het Noorderlicht goed te zien want bij het Noorderlicht zorgen deze sprongen voor het ontstaan van de verschillende kleuren. Elke baan heeft zijn eigen kleur. belprize. org anvanalt en.nl en sommige delen zijn in de les uitgelegd 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 voor- komende 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 regel- matig 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. Bron: 10

12 7. Wat veroorzaakt de verschillende kleuren van het Noorderlicht? 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. Een zuurstofatoom kan tot 2 opgewonden toestanden boven zijn grondtoestand komen, welk de toestand is met het laagst mogelijke energieniveau. Wanneer er van het hoogste energieniveau wordt teruggevallen naar het eerste energieniveau zal het licht een golflengte hebben van 557,7nm. Wanneer er van het eerste energieniveau wordt teruggekeerd naar de grondtoestand bedraagt de golflengte 630,0 of 636,4nm. Het hoogste energieniveau kan maar 0,7sec worden vastgehouden alvorens een foton wordt uitgezonden. Het eerste energieniveau kan 110sec blijven aangehouden, waardoor de kans groot is dat er in tussentijd alweer met een ander atoom wordt gebotst vooraleer een foton zou kunnen worden uitgezonden. 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 o.a. 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. De golflengte van het licht wordt ook vaak uitgedrukt in Ångström, waarbij 630,0nm gelijk is aan 6300A. Types noorderlicht op basis van de kleuren: - Type D: Volledig rood noorderlicht - Type C: Volledig groen noorderlicht - Type A: Groen noorderlicht met een rode bovengloed - Type B en Type E: Groen noorderlicht met een rode onderrand - Type F: Purper- blauw noorderlicht vanwege zonlicht Bron: informatie/kleuren- noorderlicht/ 11

13 8. Birkeland Kristian Birkeland is de naam van een Noorse natuurkundige, die van 13 december 1867 tot 15 juni 1917 heeft geleefd. Hij bestudeerde the Aurora Borealis, ook wel bekend als het Noorderlicht. Hij werd de eerste ruimte onderzoeker genoemd, ook wel de vader van plasma experimenten in het lab en ruimte. Zijn naam staat in de NASA database. Birkeland leidde tussen 1897 en 1903 drie expedities om de hoogte van het noorderlicht te bepalen. Bij de tweede poging slaagde hij erin om een noorderlichtverschijnsel te fotograferen vanuit twee plaatsen die 3,4 km uit elkaar lagen. Door middel van een driehoeksmeting stelde hij vast dat de onderkant op zo n 100 km lag. Begin 1900 had William Crook laten zien dat kathodestralen door magneetvelden werden afgebroken, Joseph J. Thomsom stelde hierna vast dat kathodestralen bestaan uit elektronen. Birkeland combineerde deze twee theorieën en opperde dat stromen snelle elektronen uit zonnevlekken werden gestoten en dat deze gekleurde lichten veroorzaken. Hij testte zijn theorie met een experiment met een gemagnetiseerd terrella, een kleine bal, dat inderdaad uitwees dat hij gelijk had. De terrella stelde de aarde voor binnen een vacuüm cel, met een straal van elektronen erop gericht. Hij zag dat de elektronen door het magnetisch veld aan de nabijheid van de terrella magnetische Polen stuurde. Hij geloofde dat er kathodestralen uit de zon kwamen die naar de magnetische polen werden geleid. Zo verklaarde hij het dagelijks optreden van het noorderlicht en de overeenkomst tussen de elfjarige periode van de zonneactiviteit en het optreden van de poollichtverschijnselen. Birkeland bouwde meer dan één terrella proefopstelling, met een nog veel groter exemplaar in een grotere kamer. Hiernaast is een foto van de Noorse wetenschapper weergegeven. Deze terrella werd gerestaureerd in 1995 door Terje Brundtland en wordt nu gedemonstreerd aan bezoekers bij het Auroral observatorium in Tromsø, Noorwegen. Bron: Youtube, The Exploration of the Earth s Magnetosphere, Scholieren.nl, Sciences at school 12

14 Bronvermelding zon- 2/wat- is- zonnewind/ zon- 2/wat- is- zonnewind/ informatie/kleuren- noorderlicht/ Youtube: The Exploration of the Earth s Magnetosphere Scholieren.nl Sciences at school 13