Skip to main content
2020-03-28

De rand van de wereld, waar zou dat zijn? Onze over-over-overgrootvaders en overgrootmoeders hebben zich deze vraag gesteld, overtuigd dat het ergens te vinden moest zijn. Natuurlijk weten we nu dat er geen einde of rand is (hoewel sommige individuen in de wereld dit idee helaas nog niet lijken te hebben begrepen), maar er zijn nog steeds plaatsen waar je het 'einde van onze wereld' kunt zien, en misschien het gevoel hebt dat je er bent.

Aan de polen van onze aardbol duikt het magnetisch veld in de grond, waar het gelinkt is met de metalen kern die het aandrijft, met als merkwaardig neveneffect het ontstaan van het poollicht (of noorderlicht) in die gebieden. De gloeiende en golvende structuren in de hemel zijn het bewijs dat iets van buiten onze aardsfeer - de energetische deeltjes die door de zon naar ons toe worden geblazen - geïnterageerd heeft met het magnetisch veld dat ons omringt. Die interactie vindt plaats in verschillende complexe stadia, met als eindresultaat dat zuurstof- of stikstofatomen van de atmosfeer van de aarde extra energie krijgen. Die energie wordt dan terug afgegeven in de vorm van licht, met verschillende kleuren die overeenkomen met verschillende hoeveelheden energie of verschillende atomen, op verschillende hoogtes in de atmosfeer: rood (zuurstof boven 200 km), groen (zuurstof tussen 100 en 200 km) en paars/blauw (stikstof onder 100 km).

--Gelinkt aan dit artikel: Emmanuel Dekemper's persoonlijk verslag van de avonturen van het team in Noorwegen--

Hoe kunnen we het magnetisch veld ‘zien’?

Net zoals lichtgolven van sterren informatie over deze sterren met zich meedragen, draagt ook het licht dat door het poollicht wordt uitgestraald informatie met zich mee over de magnetische veldlijnen, aangezien deze een nauwe relatie hebben zoals hierboven uitgelegd. Wetenschappers kunnen, met de hulp van ingenieurs, die informatie ontcijferen door te kijken naar één kenmerk van dat licht: de polarisatie ervan. Dit is een maat voor de richting van het elektrisch veld van de lichtgolf. De meeste soorten licht die we zien zijn ongepolariseerd, wat betekent dat het elektrisch veld van de golf in alle richtingen wijst.

Electric and magnetic fields of electromagnetic waves
Figuur 2: Diagram van de elektrische en magnetische velden van elektromagnetische golven. Bron: Nicepng.

Wanneer het licht weerkaatst wordt door een oppervlak verandert de richting van het veld. De golven die hetzelfde pad volgen hebben de neiging om elektrische en magnetische velden te hebben die vaker in één specifieke richting wijzen. Bijvoorbeeld, het licht van de Zon dat door de Maan weerkaatst wordt, en vervolgens door de moleculen in de dampkring van de Aarde, wordt gepolariseerd vooraleer het onze ogen bereikt. Kortom, hoe meer het licht gepolariseerd is, hoe meer het met iets geïnterageerd heeft tussen zijn ontstaan en zijn detectie. Door dit toe te passen op het licht dat door de atomen in de atmosfeer wordt uitgestraald, kan het ons vertellen hoe de elektrische velden beïnvloed zijn door de magnetische veldlijnen van de Aarde.

Hoe kunnen we de polarisatie ‘zien’?

Het detecteren van de polarisatie van het licht kan lastig zijn. Je kunt het niet zomaar zien (dat zou te gemakkelijk zijn). Fysici en ingenieurs van het BIRA gebruiken hiervoor twee benaderingen: PLIP (Polar Lights Imaging Polarimeter) en ASPA (AOTF-based Spectro-Polarimeter for Auroras), die ze testten in het observatorium van Skibotn, in het hoge noorden van Noorwegen.

Waarom in februari? De nachten moeten lang genoeg zijn om de kans op poollichtdetectie te vergroten, en het mag niet te koud zijn voor de instrumenten om goed te kunnen werken. De temperaturen 's nachts waren nu al een uitdaging voor deze missie: urenlang de binnenzijde van een metalen doos op kamertemperatuur proberen houden bij -10°C buitentemperatuur. Er op gaan zitten zal niet helpen. Met deze condities rekening houdende zijn het einde van de winter en het einde van de herfst de beste momenten voor poollicht-veldonderzoek.

Wetenschappers Hervé Lamy, Gaël Cessateur, Emmanuel Dekemper en ingenieur Jurgen Vanhamel reisden naar het verre noorden om het nieuwe ASPA-instrument te testen. Daarnaast werd het PLIP-instrument (Polar Lights Imaging Polarimeter) verder getest tijdens zijn tweede reis naar het observatorium. Hier volgt een beschrijving van deze instrumenten.

PLIP

PLIP is een tweeledige set van aangepaste camera's. De infraroodfilters werden verwijderd en vervangen door filters die alleen de rode en groene kleuren doorlaten. Dit om ervoor te zorgen dat we het rode deel van het lichtspectrum goed kunnen zien. De polarisatie van het rode licht is reeds door verschillende studies bevestigd. Het groene licht daarentegen, zou in theorie niet gepolariseerd mogen zijn.

PLIP set-up
Figuur 3: PLIP tijdens zijn eerste missie naar Skibotn in 2019. Credit: Hervé Lamy.

De camera’s zijn naast elkaar opgesteld en kijken naar hetzelfde deel van de hemel. Het enige verschil tussen beide camera's is dat ze ook uitgerust zijn met polarisatoren. De ene polarisator staat op 0°, terwijl de andere op 90° staat. Ze kunnen dus elk één polarisatierichting meten. Samen stellen ze ons in staat om een schatting te maken van de polarisatie van het poollicht.

Achteraf leggen we beide beelden (groen en rood) van de twee camera's over elkaar met de sterren op de achtergrond als referentiepunt. Daarnaast analyseren we telkens kleine groepen pixels om de polarisatie van het licht te detecteren. Indien we polarisatie vaststellen, bepalen we de sterkte ervan.

ASPA

Het idee voor ASPA kwam pas heel recentelijk. Het instrument werd in korte tijd ontwikkeld om het klaar te hebben voor een eerste test in het veld. Het innovatieve element van ASPA is het gebruik van een AOTF (Acousto-Optical Tunable Filter) als polarisatiefilter. Dit soort filter wordt al gebruikt in andere instrumenten bij het BIRA (bijvoorbeeld de ALTIUS-missie) en heeft zijn weg gevonden naar poollichtonderzoek dankzij interdisciplinaire communicatie en samenwerking.

De AOTF bestaat uit een Tellurium Dioxide-kristal (TeO2). Het werkingsprincipe van de AOTF is de ‘dubbele breking’ van licht. Het aanleggen van een RF-signaal (Radio-Frequentie) op het kristal genereert geluidsgolven in het kristal, waarbij de verschillende optische golflengten worden geselecteerd die worden doorgelaten. Hiervoor hebben we een RF-generator-versterker combinatie nodig. Aan de uitgang van de AOTF worden twee optische stralen gegenereerd, waardoor de twee verschillende polarisatietoestanden kunnen worden bepaald. Hierdoor kan de mate van polarisatie van het opgevangen licht worden gemeten.

Er is een belangrijk verschil tussen PLIP en ASPA. De eerste is in staat om brede beelden van het poollicht te maken met enige informatie over de mate van polarisatie. Echter, met een slechte spectrale selectiviteit. ASPA daarentegen, heeft een zeer klein gezichtsveld, maar heeft een veel hogere polarisatiegevoeligheid en spectrale selectiviteit. Een mooi voorbeeld van complementariteit van twee wetenschappelijke benaderingen.

Preparing ASPA
Figuur 4: Jurgen Vanhamel (links) en Emmanuel Dekemper (rechts) bereiden ASPA (midden) voor om in de buitenwereld metingen uit te voeren. Credit: Gaël Cessateur.

Uitdagingen van Wetenschappelijk Veldwerk

Voordat het team zelfs maar kon proberen om de eerste metingen in het veld uit te voeren met ASPA waren er al enkele obstakels die samengaan met wetenschappelijk veldwerk boven de poolcirkel. Jurgen vertelt hier over de technische uitdagingen. (Aanbevolen leesmateriaal: Emmanuel's persoonlijke verslag van de reis naar Noorwegen.)

Jurgen

Het ASPA-instrument is ontworpen om de (mogelijke) polarisatie van het poollicht waar te nemen. Daarom hebben we ASPA naar het observatorium in Skibotn gebracht, in het noorden van Noorwegen, een plaats die alle nodige faciliteiten heeft om het noorderlicht te bestuderen. In het observatorium hebben we ons aangesloten bij een Frans team. Ook zij deden metingen van het poollicht.

Zoals de wet van Murphy zegt: “als er een manier is waarop ze het verkeerd kunnen doen, zullen ze dat ook doen”; en dus hadden we wat problemen met de levering van ons instrument. Eén pakket kwam zelfs in Madrid terecht! Het duurde een paar dagen vooraleer we twee van de drie pakketten hadden ontvangen, maar eerst moesten we een hobbelige (door sneeuw en ijs) rit maken van Skibotn naar Tromsø en terug om het materiaal op te pikken. Je moet echt voorzichtig zijn als je over een besneeuwde en gladde weg rijdt! Dat zijn we niet gewend.

Doordat er nog een deel van het materiaal ontbrak (dat aan de andere kant van Europa terechtkwam) moesten we naar de universiteit van Tromsø trekken om te vragen of ze ons konden helpen met onze ontbrekende stukken. Gelukkig hielpen ze ons met plezier en voorzagen ze ons van een aantal cruciale elementen. Met behulp van hun materiaal waren we (eindelijk!) in staat om de eerste metingen met ASPA uit te voeren. Een paar dagen later kwam het ontbrekende pakket aan en konden we het instrument opnieuw samenstellen zoals in eerste instantie was voorzien, maar niet zonder eerst nog eens vijf uur te rijden naar Tromsø en terug!

Technisch gezien presteerde het instrument zeer goed. Het werd buiten in de harde, koude en winderige omgeving van Noorwegen geplaatst. De temperaturen daalden tot een vrij lage waarde (-10°C) en de wind maakte het nog kouder. We moesten er ook voor zorgen dat het instrument op een stevige ondergrond werd geplaatst, om betrouwbare en goede metingen te verkrijgen. Door het ontwerp en het gebruik van een verwarmingssysteem in de behuizing van het instrument werd de temperatuur binnenin op een comfortabele 16°C gehouden. Op deze manier kon de elektronica en de optische elementen de koude omstandigheden overleven. De optische resultaten toonden een duidelijke gevoeligheid van het instrument voor het waargenomen poollicht.

De Krachten van de Natuur

Helaas is een bijkomende uitdaging van het bestuderen van het poollicht de wispelturigheid van het fenomeen. Het is bijna onmogelijk om te voorspellen of en wanneer het poollicht zichtbaar zal zijn, en hoe sterk het zal zijn. Hierin spelen veel factoren een rol, zoals zonneactiviteit, wolken, maanlicht of lichtvervuiling. Tijdens de 10-daagse missie was het poollicht zwak of afwezig, terwijl de instrumenten een sterk signaal (genoeg licht) nodig hebben om bruikbare gegevens te produceren. Bovendien was de maan erg aanwezig, en zoals eerder uitgelegd is het maanlicht gepolariseerd en 'vervuilt' het de metingen. Hoewel PLIP net in staat was om wat poollicht te detecteren, had ASPA moeite om een signaal te krijgen dat sterk genoeg was om duidelijke data te genereren.

Het goede nieuws is dat de instrumenten presteerden zoals verwacht en klaar zijn om opnieuw getest te worden tijdens de volgende missie, die gepland is voor oktober van dit jaar. We kijken ernaar uit om het opnieuw te proberen, met wat meer geluk en intenser poollicht!

Night Sky Skibotn
Figuur 6: Een prachtige nachthemel boven het observatorium van Skibotn, maar spijtig genoeg weinig poollichtactiviteit tijdens de missie dit jaar. Credit: Gaël Cessateur.

Video van het Poollicht

Video van het poollicht, door de ogen van PLIP in 2019.

News image 1
News image legend 1
Figuur 1: Het poollicht kan verschillende kleuren aannemen die overeenkomen met verschillende hoeveelheden energie of verschillende atomen, op verschillende hoogtes in de atmosfeer: rood (zuurstof boven 200 km), groen (zuurstof tussen 100 en 200 km) en paars / blauw (stikstof onder 100 km). Credit: Gaël Cessateur.
News image 2
News image legend 2
Figuur 5: Skibotn bevindt zich ver boven de noorpoolcirkel, dicht bij Tromsø.