Natthimmellysets hemmeligheter

Mørket senker seg over Svalbard for tiden, og himmelen forvandles fra lyseblå og pastell til mørkeblå og svart. Fastboende på Svalbard er godt kjent med nordlyset som flammer på himmelen stort sett hver kveld i mørketida - og også midt på dagen midt på svarteste vinteren. Kjell Henriksen Observatoriet (KHO) er verdens mest moderne nordlysobservatorium, men det er ikke bare nordlysets hemmeligheter som avdekkes oppe på Gruve 7-fjellet. Flere instrumenter er også satt opp for å studere det såkalte natthimmellyset.

Det finnes flere kilder til lys fra nattehimmelen. Månen reflekterer sollys og er en kjent og kjær tilbakevendende gjest på Svalbard, og den desidert sterkeste kilden til lys i mørketida. Stjerner og galakser gir også lys, både direkte og ved at lyset reflekteres av kosmisk støv i verdensrommet. Dersom man «slo av» månen og alle stjernene (unntatt sola), ville nattehimmelen likevel ikke være helt svart. Sollys reflektert mot jorda fra støv i solsystemet (zodiakallys) - og lysforurensing som er lys reflektert fra støv og skyer i atmosfæren, bidrar til det totale lyset fra nattehimmelen. Disse har imidlertid en samlet lysstyrke som ikke overgår styrken til natthimmellyset.

Natthimmellys er ikke noe kjent fenomen blant folk flest, siden det ikke kan oppfattes med det blotte øyet. Det dannes av fotokjemiske reaksjoner 80-300 kilometer over bakken. UV-stråling fra sola bryter opp atomer og molekyler i den solbelyste delen av atmosfæren. Om natta dannes lys når energien frigjøres. Natrium, oksygen og hydroksyl er eksempler på stoffer som sender ut lys.

I motsetning til nordlyset er ikke natthimmellyset avgrenset til polarområdene, og det kan observeres fra hele jordkloden og fra satellitter. Bildet over viser natthimmellys og nordlys sett fra Den internasjonale romstasjonen (ISS) som går i bane rundt jorda omtrent 350 kilometer oppe i atmosfæren. Det grønne båndet 80-100 kilometer over bakken som ses til høyre, viser en kombinasjon av natthimmellys sendt ut fra forskjellige stoffer. I hovedsak er dette grønt natthimmellys fra reaksjoner hvor oksygen dannes, men også oransje-rødt natthimmellys fra prosesser som danner natrium og hydroksyl. Til venstre ser man grønt og rødt nordlys, og siden bildet er tatt over USA, kan man og se by-lys fra Chicago og andre store byer i Midtvesten (Minneapolis helt til venstre).

Natthimmellyset bidrar altså med mye av lyset som gjør at nattehimmelen aldri er helt svart, men det er faktisk bare en liten del som er synlig for oss mennesker. Øyet vårt kan oppfatte lys med bølgelengder fra 400-700 nanometer – som tilsvarer regnbuens farger fra lilla til rødt. Det sterkeste natthimmellyset har bølgelengder som er lengre enn 700 nanometer – altså «farger» som er «rødere enn rødt» - og som kalles nær-infrarødt. Dersom det menneskelige øyet hadde vært sensitivt for nær-infrarødt lys ville den totale lysstyrken fra natthimmellyset vært sammenlignbar med lyset fra veldig sterkt nordlys. Da hadde man kunnet være ute midt på natta uten lommelykt!

Til tross for at mesteparten av natthimmellyset ikke er synlig med det blotte øyet har det stor forskningsinteresse. Norges forskningsråd har de siste årene investert flere millioner kroner på Svalbard for studier av det. Hovedgrunnen er at prosessene som fører til at lys sendes ut, er tett knyttet til temperaturen til omliggende atmosfære. Fra målinger av lysstyrken kan man beregne denne, samt få informasjon om bevegelser av lufta der oppe som er nært knyttet til den generelle sirkulasjonen i atmosfæren. Kort sagt: vi kan studere vær og vind nesten 100 kilometer over bakken – fra bakken.

Fra Kjell Henriksen Observatoriet (KHO) studeres i hovedsak natthimmellys sendt ut fra en reaksjon som danner hydroksyl. Hydroksyl er et molekyl som består av et hydrogen- og et oksygenatom, som ofte omtales som OH. Lyset vi måler sendes ut fra et omtrent 10 kilometer tykt lag av OH som dannes mellom 82-92 kilometer over bakken. At OH i atmosfæren kunne sende ut lys, ble oppdaget i 1948 av den amerikanske doktorgradsstudenten Aden B. Meinel. De første målingene av natthimmellys over Svalbard ble gjort i 1979. Den første nordlysstasjonen ved Endalen ble tatt i bruk i 1978, og derfra ble det gjort målinger av både nordlys og natthimmellys fram til den nye nordlysstasjonen i Advent­dalen sto ferdig i 1984. Høsten 2007 ble instrumentene flyttet opp til KHO på Gruve 7-fjellet.

I hovedsak bruker vi to instrumenter for studier av natthimmellys på KHO; et kamera og et spektrometer som begge kan måle nær-infrarødt lys. Til venstre på bildet til høyre ser vi et spektrometer. Det har vært i bruk på Svalbard siden 1979 og måler styrken til natthimmellyset for ulike bølgelengder. Fra forskjellen i lysstyrke mellom de ulike bølgelengdene, har vi beregnet temperaturen. Resultatet er en av de lengste tidsseriene av OH-temperaturer i verden. Denne er unik fordi Longyearbyen er en av veldig få plasser hvor man kan gjøre målinger av natthimmellys gjennom hele døgnet i mørketida. Tidsserien gjør det mulig å studere om og hvordan klimaendringer påvirker den delen av atmosfæren. Gjennomsnittstemperaturen fra november til og med februar mellom 1983-2012 var -67 °C. Foreløpig har vi ikke kunnet påvise endringer av temperaturen de siste 30 år, men viktige fysiske og kjemiske egenskaper, og hvordan natt­himmellyset påvirkes av prosesser i den øvre atmosfæren, har blitt oppdaget.

Til høyre på bildet er et kamera som ble montert på KHO for to år siden. Det kan ta bilder av natthimmellyset over hele himmelen - ikke bare måle styrken fra et begrenset område slik som spektrometeret. Bildet til venstre viser en 30 sekunders eksponering av nattehimmelen tatt 2. februar 2011. Det viser OH natthimmellys, nordlys (nederst i bildet) og stjerner, og man kan se et bølgemønster i natthimmellyset. Dette er skapt av bølger i lufta som forplanter seg oppover fra værsystemer, vind som blåser over fjell, og så videre. Disse bølgene skaper temperaturvariasjoner på flere titalls grader oppe ved 80-90 kilometers høyde og kalles tyngdebølger. Temperaturen varierer fordi lufta kjøles ned når den løftes til et lavere trykknivå - og varmes opp når den beveger seg ned til et område med høyere trykk. Ved å studere hvordan bølgemønsteret beveger seg mellom to eller flere bilder fra kameraet på KHO, kan vi finne ut viktige ting om tyngdebølgene som bølgelengde, periode, hastighet og lignende. Over Svalbard beveger de fleste bølgene seg i nordvestlig retning og har en typisk bølgelengde på 20 kilometer og periode 5-10 minutter.

Tyngdebølgenes kanskje viktigste effekt er at de vekselvirker med vinden på forskjellige høyder på vei opp gjennom atmosfæren, og bremser eller akselererer denne. Bølgene som når 80-100 kilometer over bakken brytes omtrent som bølger på en strand, og overfører all energien til å drive vindsystemer og temperaturendringer. Dette vil påvirke vær og vind i andre deler av atmosfæren også, men akkurat hvor stor påvirkning prosessene i den øvre atmosfæren har på værsystemene på bakken og hvordan denne koblingen skjer, er blant de uløste problemstillingene innen atmosfærefysikken. Forskere verden rundt jobber derfor med å lage værvarslingsmodeller som også involverer prosesser høyere opp i atmosfæren enn det som tidligere har blitt brukt. Målingene fra Svalbard og andre områder er derfor veldig viktige for å teste og utvikle disse modellene. Nattehimmelen kan altså hjelpe oss med å svare på mange viktige spørsmål om hvordan jordas vær- og klimasystem fungerer. Vi på UNIS er med på å avsløre natthimmellysets hemmeligheter.