La semana pasada, una erupción solar masiva 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 pudieron ver auroras inusualmente vívidas en ambos hemisferios.
Aunque la aurora normalmente sólo es visible cerca de los polos, fue vista este fin de semana. tan al sur como Hawaii en el hemisferio norte y tan al norte como Mackay En el sur.
Este espectacular pico de 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 se espera que regresen períodos de intensa aurora durante el próximo año.
Si viste 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 está en los átomos, en 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 por el Sol constantemente, pero son más numerosos durante los periodos 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 terrestre contiene aproximadamente un 20% de oxígeno y un 80% de nitrógeno, con algunas trazas de otros elementos como agua, dióxido de carbono (0,04%) y argón.
Luca Argalia/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. La luz ultravioleta del Sol también hace esto, 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.
Pero en el caso de la aurora boreal, 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” liberando energía en forma de luz.
¿Qué da 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 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 de la calle. 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 estado excitado, sólo permanece allí durante unas 17 milmillonésimas de segundo antes de emitir un fotón de color amarillo anaranjado.
Pero, en la aurora boreal, muchos átomos de oxígeno se crean en estados excitados sin ninguna forma «permitida» de relajarse emitiendo luz. Sin embargo, la naturaleza encuentra un camino.
Imagen AAP/Ethan James
La luz verde que domina la aurora es emitida por átomos de oxígeno que se relajan desde un estado llamado “¹S” a un estado llamado “¹D”. Este es un proceso relativamente lento, que toma en promedio casi un segundo completo.
De hecho, esta transición es tan lenta que generalmente no ocurrirá con el tipo de presión atmosférica 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 enviar un bonito mensaje verde. fotón. Pero en las capas superiores de la atmósfera, donde la presión atmosférica es menor y por tanto hay menos moléculas de oxígeno, tienen más tiempo antes de chocar y por tanto tienen posibilidades de liberar un fotón.
Por esta razón, los científicos tardaron mucho en comprender que la luz verde de las auroras 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 científicos canadienses Entendí 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 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 este fotón verde, el átomo de oxígeno se encuentra en otro estado excitado sin posibilidad de relajación. La única salida es a través de otra transición prohibida, del estado ¹D al estado ³P, que emite una luz roja.
Esta transición está además prohibida, por así decirlo, y el estado ¹D debe sobrevivir durante unos dos minutos antes de que finalmente pueda romper las reglas y emitir una luz roja. Debido al tiempo necesario, la luz roja sólo aparece a grandes altitudes, donde las colisiones con otros átomos y moléculas son raras.
Además, debido a que hay muy poco oxígeno allí arriba, la luz roja tiende a aparecer sólo durante auroras intensas, como las que acabamos de tener.
Por eso la luz roja aparece encima de la verde. Aunque ambas surgen 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 en las auroras boreales y el rojo es el segundo color 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 tinte 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 se benefician 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 imagen en condiciones más oscuras.
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.
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