Het poollicht, bekend als aurora borealis op het noordelijk halfrond en aurora australis op het zuidelijk halfrond, is een natuurkundig verschijnsel dat ontstaat door de interactie tussen de zon en de aardatmosfeer. Hoewel het voor waarnemers vooral een visueel en esthetisch fenomeen is, vormt het poollicht in werkelijkheid een complexe manifestatie van plasmafysica, atoomfysica en atmosferische chemie. De verschillende kleuren die in het poollicht worden waargenomen zijn directe indicatoren van fysische processen die zich afspelen op grote hoogten boven het aardoppervlak en geven inzicht in zowel de samenstelling van de atmosfeer als de energie van invallende geladen deeltjes uit de ruimte.
Botsingen op grote hoogte
De primaire energiebron van het poollicht is de zon. De zon zendt continu een stroom van geladen deeltjes uit, voornamelijk elektronen en protonen, die gezamenlijk bekendstaan als de zonnewind. Tijdens perioden van verhoogde zonneactiviteit, zoals bij zonnevlammen of coronale massa-uitstoten, neemt zowel de dichtheid als de snelheid van deze deeltjes sterk toe. Wanneer deze zonnewind de aarde bereikt, wordt zij grotendeels afgebogen door het aardmagnetisch veld. Door de specifieke vorm van dit magnetisch veld worden de geladen deeltjes echter naar de magnetische polen geleid, waar zij de bovenste lagen van de atmosfeer binnendringen. Daar botsen zij met atomen en moleculen in de ionosfeer en thermosfeer, grofweg tussen 80 en 500 kilometer hoogte. Bij deze botsingen dragen de geladen deeltjes energie over aan de atmosferische gassen. Elektronen in atomen of moleculen worden daarbij naar hogere energieniveaus gebracht, een proces dat excitatie wordt genoemd. Deze geëxciteerde toestand is instabiel, waardoor het deeltje na korte of langere tijd terugkeert naar een lagere energietoestand. Het energieverschil tussen deze toestanden wordt uitgezonden in de vorm van een foton. De energie van dit foton bepaalt de golflengte van het licht en daarmee de kleur die door een waarnemer wordt gezien. De kleuren van het poollicht zijn dus het directe gevolg van specifieke elektronische overgangen binnen zuurstof- en stikstofdeeltjes in de atmosfeer.
Groen poollicht
De meest voorkomende en karakteristieke kleur van het poollicht is groen. Deze groene emissie wordt vrijwel volledig veroorzaakt door atomaire zuurstof. Wanneer een zuurstofatoom wordt aangeslagen tot een specifieke geëxciteerde toestand, aangeduid als de singlet-S-toestand, kan het terugvallen naar een lagere toestand waarbij een foton met een golflengte van ongeveer 557,7 nanometer wordt uitgezonden. Dit ligt precies in het groene deel van het zichtbare spectrum en valt bovendien samen met een gebied waarin het menselijk oog bijzonder gevoelig is. Hierdoor domineert groen vaak het visuele beeld van de aurora, zelfs wanneer andere kleuren fysisch gezien eveneens aanwezig zijn. Groene aurora’s ontstaan voornamelijk op hoogten tussen ongeveer 100 en 150 kilometer. Op deze hoogte is de luchtdichtheid laag genoeg om zuurstofatomen voldoende tijd te geven om hun energie radiatief af te staan voordat zij door een volgende botsing worden gedeactiveerd. Dit is van belang, omdat de betreffende elektronische overgang relatief langzaam verloopt. Indien de dichtheid te hoog zou zijn, zoals op lagere hoogten, zouden botsingen de excitatie voortijdig beëindigen zonder lichtemissie. Het voorkomen van groen poollicht geeft dus indirect informatie over zowel de hoogte van de energieafzetting als de dichtheid van de atmosfeer op dat moment.
Rood poollicht
Naast groen wordt rood poollicht regelmatig waargenomen, vooral tijdens sterke geomagnetische stormen. Ook deze rode emissie is toe te schrijven aan zuurstof, maar aan een andere elektronische overgang. Hierbij keert een zuurstofatoom terug van een singlet-D-toestand naar de grondtoestand, waarbij een foton met een golflengte van ongeveer 630,0 nanometer wordt uitgezonden. Deze overgang is kwantummechanisch gezien een zogenaamde “verboden overgang”, wat betekent dat zij een relatief lange levensduur heeft. Daardoor kan deze emissie alleen optreden in extreem ijle atmosferische omstandigheden, waar botsingen zeldzaam zijn. Rode aurora’s ontstaan daarom voornamelijk op grotere hoogten, vaak boven 200 kilometer en soms tot boven 400 kilometer. Op deze hoogten is de atmosfeer zo dun dat een zuurstofatoom meerdere seconden in een geëxciteerde toestand kan blijven voordat het een foton uitzendt. Visueel manifesteert dit zich vaak als een diffuse rode gloed boven een groene aurorale structuur. In sommige gevallen, vooral bij zeer sterke zonneactiviteit, kan rood zelfs de dominante kleur worden en over grote delen van de hemel zichtbaar zijn. Het optreden van uitgesproken rood poollicht wordt door wetenschappers gebruikt als indicator voor sterke energie-injectie in de magnetosfeer en ionosfeer.
Blauw en violet/paars poollicht
Blauwe en violette kleuren in het poollicht worden hoofdzakelijk veroorzaakt door stikstof. In tegenstelling tot zuurstof, dat vaak in atomaire vorm voorkomt op grote hoogten, is stikstof in de atmosfeer vooral aanwezig als moleculair stikstofgas (N₂). Wanneer deze moleculen of hun geïoniseerde vorm (N₂⁺) worden aangeslagen door invallende elektronen, ontstaan emissies in het blauwe en paarse deel van het spectrum. Een bekende emissielijn van geïoniseerde stikstof ligt rond 427,8 nanometer, wat resulteert in een diepblauwe kleur. Deze stikstofemissies treden doorgaans op bij lagere hoogten dan de zuurstofemissies, meestal onder de 120 kilometer. Op deze hoogten is de atmosferische dichtheid groter, waardoor alleen zeer energierijke deeltjes in staat zijn om de stikstof effectief te exciteren. Daarom worden blauwe en violette aurora’s vaak waargenomen tijdens perioden van intense geomagnetische activiteit, wanneer elektronen met hoge energie diep de atmosfeer binnendringen. Visueel verschijnen deze kleuren vaak als een paarse of roze rand aan de onderzijde van groene aurorale gordijnen.
Wat de camera ziet is niet wat het menselijk oog ziet
De aanwezigheid van meerdere emissies tegelijk leidt tot kleurmenging. Wanneer bijvoorbeeld groene zuurstofemissie en rode stikstof- of zuurstofemissie gelijktijdig optreden, kan het menselijk oog dit waarnemen als geel, roze of zelfs wit licht. Wit poollicht is geen afzonderlijke emissie, maar het gevolg van de optische superpositie van meerdere golflengten met vergelijkbare intensiteit. Fotografische waarnemingen met lange belichtingstijden laten deze mengkleuren vaak sterker zien dan het menselijk oog, omdat camera’s gevoeliger zijn voor zwakkere emissies en een groter dynamisch bereik hebben. De specifieke kleurverdeling van een aurora is niet alleen afhankelijk van de soort atomen en moleculen, maar ook van de energie van de invallende deeltjes. Elektronen met lagere energie zullen voornamelijk zuurstof op grotere hoogten exciteren, wat leidt tot rode emissies, terwijl elektronen met middelhoge energie vooral groene emissies veroorzaken. Zeer energierijke elektronen kunnen diep doordringen en stikstofexcitaties opwekken, wat resulteert in blauwe en violette kleuren. De kleur van het poollicht kan daarom worden gebruikt als diagnostisch hulpmiddel om de energieverdeling van de zonnewind te bepalen.
