¿Qué causa los diferentes colores de la aurora? Un experto explica el arcoíris eléctrico

La semana pasada, una enorme erupción solar envió una ola de partículas energéticas del Sol al espacio. Durante el fin de semana, la ola llegó a la Tierra y personas de todo el mundo vieron auroras inusualmente vívidas en ambos hemisferios.

Aunque la aurora normalmente sólo es visible cerca de los polos, fue vista este fin de semana hasta hawaii en el hemisferio norte, e hasta Mackay al sur.

Este espectacular aumento en la actividad auroral parece haber terminado, pero no te preocupes si te lo perdiste. El Sol se acerca a su punto máximo ciclo de manchas solares de 11 añosy es probable que regresen períodos de intensa aurora durante el próximo año.

Si has visto la aurora o alguna de las fotos, quizás te preguntes qué estaba pasando exactamente. ¿Qué hace que el brillo y los diferentes colores? La respuesta tiene que ver con los átomos, cómo se excitan y cómo se relajan.

Cuando los electrones se encuentran con la atmósfera.

Las auroras son causadas por partículas subatómicas cargadas (principalmente electrones) que chocan contra la atmósfera terrestre. Estos son emitidos continuamente por el Sol, pero hay más durante los períodos de mayor actividad solar.

La mayor parte de nuestra atmósfera está protegida de la entrada de partículas cargadas por el campo magnético de la Tierra. Pero cerca de los polos pueden colarse y causar estragos.

La atmósfera de la Tierra está compuesta aproximadamente por un 20% de oxígeno y un 80% de nitrógeno, con algunos rastros de otras cosas como agua, dióxido de carbono (0,04%) y argón.

Cuando los electrones de alta velocidad chocan con moléculas de oxígeno en la atmósfera superior, dividen las moléculas de oxígeno (O₂) en átomos individuales. La luz ultravioleta del Sol también hace lo mismo, y los átomos de oxígeno generados pueden reaccionar con las moléculas de O₂ para producir ozono (O₃), la molécula que nos protege de la dañina radiación UV.

Pero, en el caso de la aurora, los átomos de oxígeno generados están en un estado excitado. Esto significa que los electrones de los átomos están dispuestos de forma inestable y pueden “relajarse” emitiendo energía en forma de luz.

¿Qué hace que la luz sea verde?

Como se ve en los fuegos artificiales, los átomos de diferentes elementos producen diferentes colores de luz cuando se les activa.

Los átomos de cobre producen una luz azul, el bario es verde y los átomos de sodio producen un color amarillo anaranjado que quizás también hayas visto en las antiguas farolas. Estas emisiones están “permitidas” por las reglas de la mecánica cuántica, lo que significa que ocurren muy rápidamente.

Cuando un átomo de sodio está en un estado excitado, permanece allí sólo durante unas 17 milmillonésimas de segundo antes de emitir un fotón de color amarillo anaranjado.

Pero, en la aurora, muchos átomos de oxígeno se crean en estados excitados sin ninguna forma «permitida» de relajarse y emitir luz. Sin embargo, la naturaleza encuentra un camino.

La luz verde que domina la aurora es emitida por los átomos de oxígeno que se relajan desde un estado llamado «¹S» a un estado llamado «¹D». Este es un proceso relativamente lento, que toma casi un segundo en promedio.

De hecho, esta transición es tan lenta que normalmente no ocurre con el tipo de presión del aire que vemos a nivel del suelo, porque el átomo excitado habrá perdido energía al chocar con otro átomo antes de que tenga la oportunidad de emitir un bonito color verde. color . fotón. Pero en la parte superior de la atmósfera, donde la presión del aire es menor y, por tanto, menos moléculas de oxígeno, tienen más tiempo antes de chocar y, por tanto, tienen la posibilidad de liberar un fotón.

Debido a esto, los científicos tardaron mucho en comprender que la luz verde de la aurora provenía de átomos de oxígeno. El brillo amarillo anaranjado del sodio ya se conocía en la década de 1860, pero no fue hasta la década de 1920 que científicos canadienses Descubrí que el verde de la aurora se debía al oxígeno.

¿Qué hace que la luz sea roja?

La luz verde proviene de la llamada transición «prohibida», que ocurre cuando un electrón en el átomo de oxígeno realiza un salto improbable de un patrón orbital a otro. (Las transiciones prohibidas son mucho menos probables que las permitidas, lo que significa que tardan más en ocurrir).

Sin embargo, incluso después de emitir el fotón verde, el átomo de oxígeno se encuentra en otro estado excitado sin permitir relajación. La única salida es a través de otra transición prohibida, del estado ¹D al estado ³P, que emite luz roja.

Esta transición está aún más fuera de los límites, por así decirlo, y el estado ¹D tiene que sobrevivir durante unos dos minutos antes de que finalmente pueda romper las reglas y emitir una luz roja. Debido a que tarda tanto, la luz roja aparece sólo a grandes altitudes, donde las colisiones con otros átomos y moléculas son escasas.

Además, debido a que hay una cantidad tan pequeña de oxígeno allí arriba, la luz roja tiende a aparecer sólo en auroras brillantes, como las que acabamos de tener.

Por eso la luz roja aparece encima de la verde. Aunque ambas se originan a partir de relajaciones prohibidas de los átomos de oxígeno, la luz roja se emite mucho más lentamente y es más probable que se apague por colisiones con otros átomos en altitudes más bajas.

Otros colores y por qué las cámaras los ven mejor

Aunque el verde es el color más común de ver en la aurora y el rojo el segundo más común, también hay otros colores. En particular, las moléculas de nitrógeno ionizado (N₂⁺, al que le falta un electrón y tiene una carga eléctrica positiva), pueden emitir luz azul y roja. Esto puede producir un tono magenta en altitudes bajas.

Todos estos colores son visibles a simple vista si la aurora es lo suficientemente brillante. Sin embargo, aparecen con mayor intensidad en el objetivo de la cámara.

Hay dos razones para esto. En primer lugar, las cámaras tienen la ventaja de una exposición prolongada, lo que significa que pueden dedicar más tiempo a recoger luz para producir una imagen que nuestros ojos. Como resultado, pueden generar una imagen en condiciones de poca luz.

La segunda es que los sensores de color de nuestros ojos no funcionan muy bien en la oscuridad, por lo que tendemos a ver en blanco y negro con poca luz. Las cámaras no tienen esta limitación.

Pero no te preocupes. Cuando la aurora es lo suficientemente brillante, los colores son claramente visibles a simple vista.

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