Jorda mister 300 tonn oksygen i døgnet

LONGYEARBYEN: Hvis du trodde at verdens største fontene var konstruert av mennesker, må du tro om igjen. Verdens største fontene fins høyt oppe i atmosfæren og er vel hundre kilometer bred, mer enn 50 000 kilometer høy og kan spy ut ufattelige 300 tonn oksygen i døgnet.

Luftfontenen forflytter seg med jordrotasjonen, men forekommer bare i et smalt belte i Arktis og Antarktis. Svalbard har luftfontenen rett over hodet sitt fire til seks timer daglig.

Det spesielle med luftfontenen er ikke bare den voldsomme størrelsen. Selv om luftfontenen allerede ble avslørt for tretti år siden, er professor Jøran Moen ved Fysisk institutt på Universitetet i Oslo den aller første forskeren i verden som har klart å avdekke at dette merkverdige naturfenomenet er pulset. For to år siden oppdaget fysikkprofessoren at fontenen skrus av og på gjennom hele døgnet.

Takket være målinger fra EISCAT Svalbard Radar har Jøran Moen oppdaget at fonteneutbruddene starter på vel 250 kilometers høyde. Men i motsetning til alle kjente fysiske prinsipper til normale fontener, viser det seg at hastigheten til luftfontenen forbausende nok blir høyere og høyere jo lenger opp i atmosfæren den kommer. Det betyr at det blir pumpet inn betydelige mengder energi underveis.

På 600 kilometers høyde er hastigheten 1500 meter i sekundet. Etter tjue minutter er fontenen kommet 50 000 kilometer til værs. Da er hastigheten opptil 350 kilometer i sekundet. Den formidable hastigheten er faktisk tretti ganger større enn unnslippelseshastigheten, som er den hastigheten materie trenger for å unnslippe gravitasjonsfeltet til Jorda.

SOLVIND: De turkise linjene er Jordas magnetfelt, de hvite strekene er solvinden og den fiolette halvsirkelen er sjokkfronten som dannes når solvinden bremses opp i møtet med Jordas magnetfelt. Luftfontenene oppstår i polarkløftene. Det er de områdene i atmosfæren der solvinden ledes ned mot Jordas magnetpoler. Illustrasjon: NASA

Vindu mot verdensrommet

Selv om man ikke vet hvorfor luftfontenen slås av og på og hvorfor luftfontenen akselererer i hastighet, vet man at luftfontenen må skyldes et samspill mellom bølger og partikler når solvinden vekselvirker med atmosfæren på Jorda.

Eksplosjonene på solen slynger ut voldsomme mengder plasmaskyer med elektrisk ladde partikler, slik som elektroner, protoner og heliumpartikler. Disse partiklene når Jorda med en hastighet på fire hundre kilometer i sekundet.

Gudskjelov har Jorda sin måte å beskytte seg på. Takket være magnetkreftene på Jorda blir solvinden holdt unna Jorda på god avstand. Men det er et viktig unntak: Solvinden ledes ned mot jordens magnetpoler. Disse områdene i atmosfæren kalles for polarkløftene. Polarkløften er Jordas vindu mot verdensrommet og altså det området hvor solvinden kommer svært nær Jorda. Når solvinden langt nede i polarkløftene treffer ionosfæren, som er den delen av jordatmosfæren som består av ladde partikler, ”tennes” det berømte nordlyset.

Skjer ved dagnordlys

Det finnes to typer nordlys. Den ene typen er nattnordlyset, som bare forekommer om natten, slik som over fastlands-Norge. Dagnordlyset er mye svakere og fins i et konsentrert område rundt Svalbard.

Mens nattnordlyset ”tenner” så langt nede som 100 kilometer over bakken, må man opp i 250 kilometers høyde for å finne dagnordlyset. Når solvinden treffer ionosfæren skjer det en kraftig lokal oppvarming. Det fører til at luftatomene beveger seg langt fortere enn vanlig. Men effekten er svært forskjellig om oppvarmingen skjer i 100 eller 250 kilometers høyde.

100 kilometer over bakken er tettheten av luftatomer så stor at de bruker energien fra solvinden til å kollidere med hverandre. 250 kilometer over bakken er tettheten så liten at energien i stedet brukes til å sende luftatomene til værs. Det er nettopp denne mekanismen som er starten på luftfontenen.

HØYT OPP: Takket være målinger fra EISCAT Svalbard Radar har professor Jøran Moen ved Fysisk institutt oppdaget at fonteneutbruddene starter på vel 250 kilometers høyde. Foto: Yngve Vogt

Slynger oksygen til kosmos

Ved hjelp av avanserte målinger på Svalbard kunne Jøran Moen slå fast at fontenen er pulset av dagnordlyset og at en ny ladning oksygenatomer spys ut til kosmos hvert femte til tiende minutt.

Ikke alle luftatomene blir sendt til værs. Det skjer bare med noen atomer, slik som ladde oksygenatomer. Nitrogenmolekylene er for tunge. En stor del av oksygenatomene forsvinner fra Jorda for alltid og blir dratt av gårde med solvinden.

Likevel er det håp. For 600 000 kilometer unna, altså nesten to ganger avstanden til månen, returnerer magnetbølger til Jorda. Vel halvparten av oksygenet blir sannsynligvis med magnetbølgene tilbake til Jorda, mens resten av oksygenet forsvinner ut i kosmos.

Magnetfeltet til Jorda redder jordatmosfæren. For hadde ikke Jorda hatt noe magnetfelt, i slik som på planeten Mars, ville den voldsomme solvinden erodere langt mer av atmosfæren.

Jorda er nå i en fase der magnetfeltet blir svakere og svakere. Et av spørsmålene er hva som skjer hvis magnetfeltet på Jorda forsvinner. Men så lenge dagens magnetfelt fins, vil luftfontenene sende daglige 300 tonn oksygen mot kosmos. Likevel tar det milliarder av år før vi er tomme for oksygen, så det er ingen umiddelbar fare!

Uløst gåte

Jøran Moen forsøker nå, sammen med et internasjonalt forskningsmiljø, å avdekke hvilke mekanismer som så effektivt klarer å pumpe energi inn i de ioniserte oksygenatomene og hvorfor luftfontenen blir raskere og raskere jo høyere opp i atmosfæren den kommer. For å komme et hakk nærmere forklaringen planlegger han avanserte målinger i en rakett som skal skytes opp om halvannet år. Utfordringen hans er at raketten blir skutt opp fra Andøya, vel femten minutter unna luftfontenen på Svalbard. Avstanden er så stor at raketten må skytes opp før fontenen starter et nytt utbrudd. Det betyr at Jøran Moen ikke må feile beregningene. Men luftfontenen er et veldig dynamisk fenomen som stadig endrer plassering. Selv om han klarer å beregne hvor luftfontenen vil slå til, er det ikke sikkert at luftfontenen er aktiv når raketten freser igjennom polarkløften.

Blir eksperimentet vellykket, er Jøran Moen ett skritt nærmere løsningen.

– Selv om det fins mange teorier, gjenstår det å finne en fullgod forklaring på mekanismene som er knyttet til den voldsomme akselerasjonen i fontenen. Den dagen mekanismene er kjent, vil det være mulig å få en forståelse av om atmosfæren vår er stabil, hvordan den er dannet og hvordan atmosfærer på andre planeter oppstår. Og ikke minst: Studier av magnetisk plasma på Jorda gir oss informasjon til å forstå resten av plasmauniverset, samt planeter, stjerner og galakser. Det er derfor det er viktig å ha et nærområde som Jorda som et godt instrumentert testlaboratorium, forteller professor Jøran Moen ved Fysisk institutt.