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

La semana pasada, una erupción solar masiva envió una ola de partículas energéticas del Sol a través del espacio. Durante el fin de semana, la ola llegó a tierra y personas de todo el mundo disfrutaron viendo auroras boreales inusualmente brillantes en ambos hemisferios.

Aunque las auroras boreales normalmente sólo son visibles cerca de los polos, fueron vistas este fin de semana. Del sur a Hawaii En el hemisferio norte y Tan al norte como Mackay en el sur.

Este espectacular aumento de la actividad auroral parece haber terminado, pero no te preocupes si te lo perdiste. El sol se acerca a su cenit. El ciclo de las manchas solares dura 11 añosEs probable que vuelvan a aparecer períodos de intenso crepúsculo durante el próximo año.

Si has visto la aurora boreal o alguna de las imágenes, probablemente te estés preguntando 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 con la atmósfera terrestre. Estos elementos 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 del flujo 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 por aproximadamente un 20% de oxígeno y un 80% de nitrógeno, con trazas de otras cosas como agua, dióxido de carbono (0,04%) y argón.

La aurora boreal de mayo de 2024 también fue visible en la región de Emilia-Romaña, en el norte de Italia.
Luca Argaglia/Flickr, CC BY-NC-SA

Cuando los electrones de alta velocidad chocan con moléculas de oxígeno en la atmósfera superior, dividen las moléculas de oxígeno (O₂) en átomos individuales. Los rayos ultravioleta del sol también hacen 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 los dañinos rayos UV.

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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 forma inestable y pueden «relajarse» liberando energía en forma de luz.

¿Qué hace que una luz verde?

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

Los átomos de cobre emiten luz azul, los átomos de bario emiten luz verde y los átomos de sodio producen un color amarillo anaranjado que quizás también hayas visto en las farolas antiguas. Estas emisiones son «permisibles» según las reglas de la mecánica cuántica, lo que significa que ocurren muy rápidamente.

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

Sin embargo, en la aurora, muchos átomos de oxígeno se crean en estados excitados sin formas «permitidas» de relajarse emitiendo luz. Sin embargo, la naturaleza encuentra un camino.

Un cielo nocturno moteado con luces verdes brillantes y rayas rosas encima.
La aurora es visible desde Oatlands, Tasmania, el 11 de mayo de 2024.
Imagen AAP/Ethan James

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 tarda en promedio alrededor de un segundo completo.

De hecho, esta transición es tan lenta que normalmente no ocurriría con la presión del aire que vemos a nivel del suelo, porque el átomo excitado perdería energía al chocar con otro átomo antes de que tuviera la oportunidad de enviar un hermoso fotón verde. Pero en las capas superiores de la atmósfera, donde hay menos presión del aire y, por tanto, menos moléculas de oxígeno, tienen más tiempo antes de chocar entre sí y, por tanto, tener la posibilidad de liberar un fotón.

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Por esta razón, los científicos tardaron mucho en descubrir que la luz verde de la aurora proviene de átomos de oxígeno. El brillo amarillo anaranjado del sodio se conoció en la década de 1860, pero no se reconoció hasta la década de 1920. científicos canadienses Descubrí que el color verde crepuscular se debía al oxígeno.

¿Qué hace que una luz sea roja?

La luz verde proviene de la llamada transición «prohibida», que ocurre cuando un electrón en un átomo de oxígeno realiza un salto inesperado 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 ninguna relajación permitida. La única salida es a través de otra transición bloqueada, del estado ¹D al estado ³P, que emite luz roja.

Esta transformación se bloquea aún más, por así decirlo, y el estado ¹D debe sobrevivir durante unos dos minutos antes de que finalmente pueda romper las reglas y emitir la luz roja. Debido a que tarda tanto, la luz roja sólo aparece a grandes altitudes, donde las colisiones con átomos y otras moléculas son raras.

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

Por eso aparece una luz roja sobre la verde. Si bien ambas surgen de la relajación prohibida 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.

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Otros colores y ¿por qué las cámaras los ven mejor?

Si bien el verde es el color más común que se ve en la aurora boreal y el rojo es 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 color púrpura en elevaciones más bajas.

Todos estos colores son visibles a simple vista si la aurora es lo suficientemente brillante. Sin embargo, aparecen con más fuerza en el visor.

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 tomar una fotografía en condiciones de poca luz.

La segunda razón es que los sensores de color de nuestros ojos no funcionan 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 hay necesidad de preocuparse. Cuando la aurora es lo suficientemente brillante, los colores son claramente visibles a simple vista.



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