Aurora en magnetometers
Het is eigenlijk een eigenaardige zaak dat het magneetveld van de aarde in de kern wordt opgewekt en we het moeten bestuderen als hulpmiddel om iets over de kern van de aarde te weten te komen. Aurora is een van die typische gevolgen van de aanwezigheid van het magnetische veld van de aarde. De manier waarop het aardmagneetveld en de velden en deeltjes buiten in de ruimte met elkaar omgaan vertelt ons indirekt veel over de mogelijke samenstelling van de kern van de aarde en bovendien geeft het aan dat de zon en enige andere planeten eveneens magneetvelden bezitten.
Voor ons, amateurs, stelt aurora echter heel wat anders voor: voor sommigen is het optreden van het poollicht een vervelende onderbreking van de propagatie op de korte golf, voor anderen is het een welkome kans om op VHF fraaie DX te werken. Kortom, het poollicht heeft veel te maken met de kommunikatiewegen die amateurs toepassen.
Aurora en magnetische storingen
In het kort zal er worden ingegaan wat aurora voorstelt. De hoofdingrediënten zijn achtereenvolgens de zonnewind, de magneetvelden van de zon die door de zonnewind worden meegevoerd en het magneetveld van de aarde.
Rond de aarde, in de ruimte, reageren deze velden en deeltjes met elkaar: het magneetveld van de aarde kan deeltjes invangen en vasthouden, maar op grotere afstand van de aarde zal de zonnewind een grote invloed hebben. Dichtbij de aarde bevinden zich dan ook de twee van Allen gordels, die vrij stabiel zijn. In deze ringvormige banden zijn grote hoeveelheden geladen deeltjes tussen de polen "opgesloten"; dit is een gevolg van de zgn. lorentzkracht.
Voorbij de van Allen gordels gaat het veld van de zonnewind een rol spelen en dit heeft tot gevolg dat het invloedsgebied aan de zonzijde ingedrukt wordt en aan de nachtzijde ("lijzijde" van de zonnewind) sterk uitgerekt is. Dit laatste gebied lijkt nogal op de staart van een komeet wat de vorm betreft en men heeft hem daarom ook de "magnetostaart" van de aarde gedoopt.
Tijdens aurora speelt de staart een grote rol, omdat die zeer waarschijnlijk de bron is van de immense hoeveelheid deeltjes die tijdens aurora de atmosfeer binnendringen. Het poollicht wordt nl. getriggerd zodra het interplanetaire magneetveld, dat met de zonnewind meereist, een drastische polariteitsverandering vertoont. De staart blijkt minder lang te worden en de dichtheid in de staart neemt zeer sterk toe. Deze dichtheid kan hoog genoeg worden om een "doorslaan" van de magnetische spiegels boven de polen te veroorzaken. Dit gaat dan weer in samenhang met krachtige elektrische velden die in de staart aanwezig zijn op het scheidingsvlak tussen noordelijke veldlijnen en zuidelijke veldlijnen. Een geladen deeltje dat in een magnetisch veld beweegt ondervindt dus de lorentzkracht, maar omgekeerd kan men stellen dat het geladen deeltje een stroompje voorstelt dat zelf ook een magnetisch veld opwekt. Tijdens poollicht komen er heel veel deeltjes de dampkring binnen en zijn de stromen vele honderden kA in grootte. Dit verstoort uiteraard het magneetveld van de aarde en een dergelijke storing wordt een "magnetische storm" genoemd.
Magnetische waarnemingen t.b.v. auroramelding
Daar het poollicht in meer of mindere mate het magneetveld van de aarde kan verstoren, is het mogelijk om aan de hand van die verstoringen een auroramelder te bouwen. Het veld van de aarde kan men meten met een magnetometer, dit is meestal een soort kompas. Het is voor het aantonen van grote verstoringen niet eens nodig een nauwkeurig kompas te bouwen. Bij een flinke aurora kan de verstoring 10% van het veld bedragen (op onze breedten). Vooral de horizontale komponent is bruikbaar, als men een soort kompas zou gebruiken dat m.b.v. een torsieveer of horlogeveer niet noord-zuid maar oost-west aanwijst. Figuur 1 laat het principe zien: het aardmagneetveld oefent een kracht F uit op de magneetjes, die met de arm een moment vormen. De veer zorgt voor een even groot, tegengesteld gericht moment. Liet moment dat door het aardmagneetveld wordt veroorzaakt is het grootst als de arm loodrecht op de veldrichting staat, d.w.z. oost-west.
Fig. 1. Principe van een eenvoudige magnetometer
Neemt nu de veldkomponent af, dan is het evenwicht verstoord en zal er een nieuw evenwichtspunt ontstaan tussen het magnetische moment en het moment van de veer. In figuur 1 is dit gestippeld aangegeven. Deze verandering van stand is b.v. met een LDR-lamp kombinatie te meten (er is immers alleen onderscheid nodig tussen "wel verstoring" en "niet verstoring" van het veld en dus wel of niet het optreden van aurora).
Het zou zeer aan te bevelen zijn om een dergelijk apparaat op een trillingsvrije plaats op te stellen en te koppelen aan b.v. een bakenzender, om op die manier een automatische auroramelder te kunnen verwezenlijken. De plaats waar een dergelijke magnetometer zou kunnen staan moet echter wel aan bepaalde eisen voldoen: trillingsvrijheid: weinig zwaar verkeer en een stevige konstruktie van het fundament, man-made storing: het apparaat moet uit de buurt blijven van gelijkstroomnetten, zoals trams en treinen.
Vanwege de mechanische perikelen, die bij zo'n eenvoudige magnetometer optreden, gebruikt men voor professionele doeleinden een heel ander principe. Deze werkt als volgt: men wekt met twee identieke spoelen een magneetveld op, maar plaatst de spoelen zo dat de velden elkaar precies opheffen. Een wisselend veld (b.v. 500 Hz) wekt dan geen spanning op in de omvattende oppikspoel, zoals uit de symmetrie in figuur 2 te zien is. De twee binnenspoelen hebben echter permalloy kernen en bij voldoende grote stromen zullen de kernen in verzadiging kunnen raken. (De magnetisatie van de kernen kan niet meer groter worden.) In normaal gebruik stuurt men de spoelen zo aan dat zij nog net niet in verzadiging gaan, maar zodra er een extern veld wordt aangelegd, zullen de kernen in een top van de sinus in verzadiging gaan. De symmetrie is verbroken en over de oppik-lus is een 1000 Hz (2 x 500 Hz) spanning aanwezig die evenredig is aan het externe veld. Op deze wijze heeft men magnetometers gebouwd die zeer nauwkeurig werken: veranderingen van 0.01% van het aardmagneetveld zijn goed te detekteren. Voor amateurs is deze gevoeligheid natuurlijk niet zo van belang, vandaar dat een "kompas" al zou kunnen voldoen.
Fig. 2. Verzadigingsmagnetometer