La semana pasada, una enorme erupción solar envió una ola de partículas energéticas del Sol a través del espacio. Durante el fin de semana, la ola llegó a la Tierra y personas de todo el mundo disfrutaron de la vista de auroras inusualmente vívidas en ambos hemisferios. Aunque la aurora normalmente sólo es visible cerca de los polos, este fin de semana fue vista tan al sur como Hawaii en el hemisferio norte, y tan al norte como Mackay en el sur.
Este espectacular aumento en la actividad auroral parece haber terminado, pero no te preocupes si se lo perdiste. El Sol se está acercando al pico de su ciclo de manchas solares de 11 años, y es probable que regresen períodos de intensas auroras durante el próximo año.
Si viste la aurora o cualquiera de las fotos, quizás te preguntes qué estaba pasando exactamente. ¿Qué hace que brille 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 de la Tierra. Estos son emitidos por el Sol todo el tiempo, pero hay más en las épocas de mayor actividad solar.
La mayor parte de nuestra atmósfera está protegida de la afluencia 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 algunas trazas de otras cosas como agua, dióxido de carbono (0,04%) y argón.
Cuando los electrones de alta velocidad chocan contra las 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 estado excitado. Esto significa que los electrones de los átomos están dispuestos de una manera inestable que puede “relajarse” emitiendo energía en forma de luz.
¿Qué hace la luz 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 dan una luz azul, el bario es verde y los átomos de sodio producen un color amarillo anaranjado que quizás también hayas visto en las farolas más antiguas. 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, sólo permanece allí durante unas 17 milmillonésimas de segundo antes de disparar un fotón de color amarillo anaranjado. Pero, en la aurora, muchos de los átomos de oxígeno se crean en estados excitados sin formas “permitidas” de relajarse mediante la emisión de 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”. Se trata de un proceso relativamente lento, que en promedio dura casi un segundo.
De hecho, esta transición es tan lenta que normalmente no ocurrirá 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 hermoso fotón de color verde. Pero en las zonas superiores de la atmósfera, donde hay menor presión del aire y, por tanto, menos moléculas de oxígeno, tienen más tiempo antes de chocar entre sí y, por tanto, tienen la posibilidad de liberar un fotón.
Por esta razón, los científicos tardaron mucho en darse cuenta de que la luz verde de la aurora provenía de átomos de oxígeno. El brillo amarillo anaranjado del sodio se conoció en la década de 1860, pero no fue hasta la década de 1920 que los científicos canadienses descubrieron que el verde de la aurora se debía al oxígeno.
¿Qué hace la luz roja?
La luz verde proviene de la llamada transición “prohibida”, que ocurre cuando un electrón en el átomo de oxígeno ejecuta 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 ese fotón verde, el átomo de oxígeno se encuentra en otro estado excitado sin relajación permitida. 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 prohibida, por así decirlo, y el estado ¹D tiene que sobrevivir durante unos dos minutos antes de que finalmente pueda romper las reglas y emitir luz roja. Debido a que tarda tanto, la luz roja sólo aparece a gran altura, 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 intensas, como las que acabamos de tener.
Por eso la luz roja aparece encima de la verde. Si bien ambas se originan en relajaciones prohibidas de los átomos de oxígeno, la luz roja se emite mucho más lentamente y tiene más posibilidades de extinguirse por colisiones con otros átomos en altitudes más bajas.
Otros colores y por qué las cámaras las ven mejor
Si bien el verde es el color más común que se ve en la aurora, y el rojo el segundo más común, también hay otros colores. En particular, las moléculas de nitrógeno ionizado (N₂⁺, a las que les falta un electrón y tienen 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 más 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 crear 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 en condiciones de 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.
Fuente: Live Science.
