De nacht is nooit echt donker. Boven ons hoofd, op tientallen kilometers hoogte, gloeit de atmosfeer van de aarde voortdurend, overdag én 's nachts, in een zachte, bijna etherische schittering die wetenschappers "airglow" noemen. Het is een van de meest fascinerende en minst bekende verschijnselen aan de nachtelijke hemel, en tegelijk een venster op de verborgen chemie en dynamiek van onze bovenste atmosfeer.
Een gloed die nooit uitgaat
Wie vanuit een vliegtuig of vanuit het internationale ruimtestation ISS naar de aarde kijkt, ziet een dunne, lichtgevende rand die de planeet omzoomt: een groene, soms roodachtige, soms blauwige sluier die zweeft op de grens van het voelbare en het kosmische. Dat is airglow, letterlijk "luchttgloed", en het is er altijd. Op de grond is het verschijnsel met het blote oog bijna niet te zien. Toch is airglow verantwoordelijk voor een opmerkelijk deel van het "achtergrondlicht" van de nachtelijke hemel. Op de donkerste plekken ter wereld, ver van enige lichtvervuiling, is het airglow dat de nacht net iets minder diepzwart maakt dan het zuivere vacuüm van de ruimte. Als je alle sterren, de Melkweg en de zodiacale lichten zou wegnemen, dan zou er nog altijd een heel zwakke gloed overblijven. Dat is de continue chemische adem van onze atmosfeer.
Ontdekking
Het fenomeen werd voor het eerst wetenschappelijk beschreven door de Zweedse natuurkundige Anders Jonas Ångström in 1868. Ångström, de man naar wie de lengte-eenheid ångström (10⁻¹⁰ meter) is vernoemd, merkte op dat het nachtelijke hemelspectrum emissielijnen bevatte die niet konden worden verklaard door sterrenlicht alleen. Er moest een andere bron zijn, en die moest zich in onze eigen atmosfeer bevinden. In de decennia daarna onderzochten astronomen en atmosfeerkundigen de mysterieuze emissies nauwkeuriger. In de jaren 1950 werd het verschijnsel eindelijk systematisch in kaart gebracht, en sindsdien heeft het een centrale plek verworven in de atmosferische wetenschappen en de ruimteweerkunde.
Wat is airglow precies?
Airglow is een vorm van chemiluminescentie: licht dat wordt uitgestoten door atomen en moleculen in de bovenste lagen van de atmosfeer, als gevolg van chemische reacties die worden aangedreven door zonnestraling. Het is wezenlijk anders dan de aurora (noorderlicht of zuiderlicht), al lijken de twee verschijnselen oppervlakkig op elkaar. Bij een aurora worden geladen deeltjes van de zon, voornamelijk elektronen en protonen die via de zonnewinde de aarde bereiken, langs de magnetische veldlijnen van de aarde naar de poolgebieden geleid. Daar botsen ze met hoge energie op atmosfeerdeeltjes, die daardoor lichtgevend worden. Aurora's zijn dus gebonden aan de poolregionen, zijn sterk afhankelijk van zonnevlammen en aardse magnetische stormen, en kunnen spectaculaire, dynamische structuren vormen zoals lichtbogen, gordijnen en pilaren. Airglow is anders van karakter. Het is een continu, mondiaal fenomeen dat overal op aarde, op alle breedtegraden, het hele jaar door plaatsvindt, zowel 's nachts als overdag. Het is niet afhankelijk van de poolregio's of van extreem hoge zonneactiviteit, maar van de alledaagse interactie tussen zonlicht en atmosfeerchemie.
Hoe ontstaat airglow?
Airglow ontspringt aan de mesossfeer en thermosfeer, ruwweg op hoogtes tussen de 50 en 300 kilometer boven het aardoppervlak. De meest intense emissies bevinden zich rond de 97 kilometer hoogte, ter hoogte van de mesopauze, de koude overgangszone tussen de mesossfeer en de thermosfeer. De zon is de primaire motor. Overdag beschijnt de zon de atmosfeer met ultraviolette en extreem-ultraviolette straling (UV en EUV). Deze energetische straling breekt moleculen van stikstof (N₂) en zuurstof (O₂) uiteen in hun afzonderlijke atomen. Dit proces heet fotodissociatie. Tegelijkertijd worden atomen en moleculen geïoniseerd: hun elektronen worden losgeslagen door de hoge energie van de straling. Wanneer de zon ondergaat, beginnen deze losse, "aangeslagen" atomen en moleculen zich te hergroeperen. Ze recombineren, botsen met andere deeltjes, en ondergaan een reeks complexe chemische reacties. Bij al die reacties komt energie vrij, en die energie wordt uitgestraald als licht. Dat licht is airglow. Het is een soort chemische nagloed: de atmosfeer zendt 's nachts de energie terug die ze overdag van de zon heeft geabsorbeerd. Naast de naverlichting door recombinatie en chemiluminescentie spelen ook kosmische stralen een rol: hoogenergetische deeltjes uit de diepe ruimte die de bovenste atmosfeer raken en daarin eveneens lichtuitstoot kunnen veroorzaken. Dit draagt bij aan de kleine hoeveelheid airglow die ook bij hoge breedtegraden en diep in de nacht waarneembaar blijft.
De kleurenpalet van airglow
Airglow is niet monochroom. Afhankelijk van welke atomen of moleculen licht uitstralen, en op welke hoogte, varieert de kleur van het verschijnsel. Elk lichtpunt in het airglow-spectrum vertelt een verhaal over de chemie op die specifieke hoogte.
- Groen (557,7 nanometer) is de meest opvallende en krachtigste airglow-emissie. Ze is afkomstig van zuurstofatomen in een aangeslagen toestand (O¹S), die zich ophouden in een laag van circa 90 tot 100 kilometer hoogte. Overdag splitst UV-straling O₂-moleculen in afzonderlijke zuurstofatomen; 's nachts recombineren deze en raken daarbij in een aangeslagen toestand, waarna ze bij terugkeer naar de grondtoestand een groen foton uitzenden. Dit is precies de golflengte waarbij de menselijke ogen het gevoeligst zijn, maar zelfs dat is amper genoeg om het met het blote oog waar te nemen.
- Rood (630 nanometer) komt eveneens van zuurstofatomen, maar dan vanuit een andere aangeslagen toestand (O¹D) en op veel grotere hoogte: tussen de 150 en 300 kilometer. Deze aangeslagen toestand is opmerkelijk stabiel, de halveringstijd voor spontane lichtuitstoot bedraagt maar liefst 110 seconden. Op lage hoogtes worden de aangeslagen atomen al afgebroken door botsingen met andere deeltjes voordat ze licht kunnen uitzenden; alleen op grote hoogte, waar de atmosfeer ijl genoeg is, slagen de zuurstofatomen erin hun rood licht uit te stralen.
- Geel-oranje (589 nanometer) is de bekende emissielijn van natriumatomen, dezelfde lijn die straatlampen hun karakteristieke gele gloed geeft. In de atmosfeer zit een dunne laag natriumatomen rond de 92 kilometer hoogte. Dit natrium is niet afkomstig van de oceanen, maar van de verbranding van meteoren: wanneer micrometeoroïden door de atmosfeer raken, verdampen ze en laten ze hun minerale bestanddelen achter als een fijne chemische laag op mesosferische hoogte.
- Rood en infrarood in de nabij-infrarode band zijn afkomstig van hydroxylradicalen (OH), die reageren op een hoogte van ongeveer 86 tot 87 kilometer. OH-radicalen worden gevormd wanneer ozon (O₃) reageert met waterstofatomen: O₃ + H → OH* + O₂. Het sterretje geeft aan dat de OH in een aangeslagen, vibrerende toestand verkeert. Bij terugval naar lagere energietoestanden zendt dit molecuul licht uit in het rood en nabij-infrarood. De OH-emissies zijn voor wetenschappers bijzonder waardevol als meetinstrument.
- Blauw-ultraviolet wordt uitgestraald door stikstofmoleculen in de thermosfeer, boven de 100 kilometer, en door stikstofoxide (NO). De interactie tussen vrije stikstof- en zuurstofatomen produceert NO-moleculen, waarbij in het proces ultraviolette fotonen worden vrijgemaakt.
Hoe en wanneer is airglow te zien?
Airglow is er altijd, maar zien is een ander verhaal. Het fenomeen is zo zwak dat zelfs minimale lichtvervuiling of maanlicht het volledig overstemt. Met het blote oog is nightglow alleen waarneembaar onder de allerbeste omstandigheden: op een locatie met Bortle klasse 1 of 2 (de donkerste categorie van de Bortleschaal voor lichtvervuiling), bij nieuwe maan, bij een helder, wolkenvrij hemelgewelf, en na minimaal 30 tot 45 minuten volledige donkeradaptatie van de ogen. Zelfs dan ziet airglow er niet groen of rood uit, zoals op foto's, de kleurreceptoren in ons netvlies (de kegeltjes) worden niet voldoende geprikkeld door het flauw licht. Wat je ziet zijn kleurloze, vage lichtstrepen en plekken, vergelijkbaar met hoog, dun bewolking, maar zonder dat er wolken zijn. Door je hoofd iets te bewegen kun je het contrast beter waarnemen. De beste plek aan de hemel om naar airglow te zoeken is niet recht omhoog, maar tussen de 10 en 40 graden boven de horizon. Op die hoek kijk je schuin door een dikkere laag atmosfeer, waardoor je meer airglow-emissies in je gezichtsveld integreert. Lager dan 10 graden wordt de zwakke gloed te sterk gedempt door de dichtere onderste atmosfeer.
Fotografisch is airglow veel toegankelijker. Een moderne digitale camera met een lichtsterke groothoeklens (f/1.4 tot f/2.8), ingesteld op een sluitertijd van 15 tot 30 seconden en een ISO tussen de 1600 en 6400, legt airglow praktisch altijd vast op een donkere locatie. Op foto's springt de groene kleur er duidelijk uit. Rood en oranje zijn ook vaak zichtbaar, afhankelijk van de nacht en de zonneactiviteit. Seizoenen en zonneactiviteit spelen een rol. Studies tonen aan dat airglow feller is rondom het zonnemaximum van de elfjarige zonnevlekkencyclus. In periodes van intense zonneactiviteit, met meer UV- en EUV-straling, worden er meer atomen geïoniseerd en dissocieerd, wat meer brandstof levert voor de nachtelijke recombinatie. Rondom het zonnemaximum (het volgende valt rond 2025-2026) zijn de airglow-displays doorgaans indrukwekkender.
Locatie maakt nauwelijks uit voor het fenomeen zelf, airglow is wereldwijd aanwezig, van pool tot pool, in tegenstelling tot aurora. Maar logischerwijze zijn gebieden met minimale lichtvervuiling, zoals woestijnen, hooggebergte en dunbevolkte eilanden, de ideale observatieplekken. Beroemde sterrenwacht-locaties zoals de Atacama-woestijn in Chili, de Canarische Eilanden en Hawaii staan bekend om hun spectaculaire airglow-displays, en de grote telescopen ter plaatse merken de invloed ervan dan ook voortdurend.
Impact op de astronomie
Voor astronomen is airglow een "noodlottige" nevenverschijnsel. Het is immer aanwezig als een zwak maar onvermijdelijk lichtscherm dat de duisterste plekken op aarde verlicht. Zelfs de best gesitueerde grondtelescopen ter wereld, in de Atacama, op Mauna Kea of op La Palma, kijken altijd door een dunne sluier van airglow. Dit stelt praktische grenzen aan de gevoeligheid van optische telescopen. Hoe lang een telescoop ook belicht, het airglow-signaal telt mee en overstemt uiteindelijk de zwakste sterrenstelsels, quasars of andere verre objecten die astronomen willen bestuderen. Dit is precies een van de redenen waarom ruimtetelescopen zoals de Hubble Space Telescope en de James Webb Space Telescope zo superieur zijn aan grondgebonden instrumenten voor zwakke, verre bronnen: boven de atmosfeer is er simpelweg geen airglow. Moderne observatoria gaan op verschillende manieren met airglow om. Spectrografen worden zo ontworpen dat ze golflengte-intervallen mijden die bekend staan om sterke airglow-emissies. Rekenprogramma's voor beeldverwerking bevatten routines om airglow-bijdragen te modelleren en af te trekken van wetenschappelijke afbeeldingen. En de keuze van een observatiesite houdt rekening met de gemiddelde airglow-helderheid, die varieert met hoogte, breedtegraad en seizoen.
Airglow vanuit de ruimte: een schil van licht
Vanuit het perspectief van de ISS, op circa 400 kilometer hoogte, is airglow bijzonder indrukwekkend. Astronauten zien de aarde omzoomd door een dunne, kleurige laag licht die de gehele planeet omsluit als een delicate schil. De groene zuurstofemissie is het duidelijkst zichtbaar als een opvallend groene "rand" langs de horizon van de aarde, terwijl de rode emissies een bredere, meer diffuse laag vormen op hogere hoogte. Vanuit de ruimte is ook de structuur van airglow goed te zien. In plaatsen van lagere en hogere helderheid zijn golvende patronen zichtbaar, golfstructuren die worden veroorzaakt door zogenaamde atmosferische zwaartekrachtsgolven die door de atmosfeer bewegen. Dit brengt ons bij een van de meest wetenschappelijk relevante aspecten van airglow.
