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, welke 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 aanhouden, waardoor de kans groot is dat er in de tussentijd alweer met een ander atoom wordt gebotst voordat 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. Nog een reden dus waarom we het rode licht in de meeste gevallen veel minder vaak en niet zo goed kunnen waarnemen dan het groene licht.

Wanneer er gebotst wordt met stikstofmoleculen (N2) levert dat ogenblikkelijk paars of rood noorderlicht op.

Voor de kleur is het dus 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. Een interactief tooltje dat mooi duidelijk maakt waar de verschillende kleuren vandaan komen:

Typen noorderlicht op basis van de kleuren

Volledig rood noorderlicht

Wanneer de zonnewind voornamelijk bestaat uit elektronen met een energie-inhoud beneden de 500eV of protonen met een energie-inhoud van slechts enkele keV, dan kunnen de deeltjes niet veel dieper in onze atmosfeer doordringen dan tot zo'n 200km boven het aardoppervlak. Op die hoogte zijn er voornamelijk zuurstof-, waterstof- en heliumatomen aanwezig.

Botsingen met waterstof- en heliumatomen veroorzaken onvoldoende licht om met het blote oog waar te kunnen nemen.

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.

Voorbeeld: Uitsluitend rood noorderlicht boven Friesland, oktober 2003

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 keV, 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 het 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 energie-toestand worden gebracht. Na 0,7sec vallen deze dan terug naar de eerste verhoogde energie-toestand door het uitzenden van groen licht. (557,7nm) Vervolgens zouden ze gedurende 110 seconden in die eerste verhoogde energie-toestand 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 overstemd worden door het groene licht waarvoor ons oog veel gevoeliger is.

Voorbeeld: groene noorderlichtbogen boven Salla

 

Groen noorderlicht met een rode bovengloed

De verhouding van laag-energetische t.o.v. hoog-energetische deeltjes bepaalt hier hoe duidelijk het rode licht aan de bovenkant zichtbaar zal worden. Elektronen veroorzaken overigens veel meer zichtbaar licht dan protonen.

Voorbeeld: Noorderlicht vanuit het internationaal ruimtestation ISS

 

Groen noorderlicht met een rode onderrand

Deze combinatie ontstaat 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. De stikstofmoleculen en zuurstofmoleculen zorgen voor rood licht in de zone tussen 70 en 100km.

Voorbeeld: Zeer snel bewegend noorderlicht met een rode rand onder de groene kronkels.

 

Purper-blauw noorderlicht vanwege zonlicht

Wanneer er in de late lente nog zonlicht valt op de bovenste lagen van de atmosfeer kunnen daar soms lange stralen van purper-blauw 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.

Voorbeeld: Purper-blauwe bovenrand kort na de avondschemering in Luosto, maart 2014.