El arco iris eléctrico de la aurora ocurre cuando los átomos excitados se relajan a través de “transiciones prohibidas”. La semana pasada, una erupción solar masiva envió una ola de partículas energéticas del Sol al espacio. Durante el fin de semana, esta ola llegó a la Tierra y personas de todo el mundo pudieron presenciar auroras de rara intensidad en ambos hemisferios.
Si bien las auroras normalmente solo son visibles cerca de los polos, este fin de semana se vieron en lugares tan lejanos como Hawaii en el hemisferio norte y tan lejos como Mackay en el hemisferio sur.
Este espectacular pico de actividad auroral parece haber terminado, pero no te preocupes si te lo perdiste. El Sol se está acercando al pico de su ciclo de manchas solares de 11 años y es probable que reaparezcan períodos de intensas auroras durante el próximo año.
Si has visto la aurora o alguna de las fotos, quizás te preguntes qué está sucediendo exactamente. ¿Qué produce estos brillos y colores diferentes? La respuesta es una cuestión de átomos, de su excitación y de su relajación.
Cuando los electrones se encuentran con la atmósfera.
Las auroras son causadas por partículas subatómicas cargadas (principalmente electrones) que chocan con la atmósfera terrestre. Estas partículas son emitidas constantemente por el Sol, pero son más numerosas durante los períodos de alta 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 algunas trazas de otros elementos 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 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 los dañinos rayos UV.
Pero en el caso de las auroras, 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 produce luz verde?
Como se ve en los fuegos artificiales, los átomos de diferentes elementos producen diferentes colores de luz cuando se excitan.
Los átomos de cobre producen luz azul, los átomos de bario producen luz verde y los átomos de sodio producen un color amarillo anaranjado que quizás hayas visto en las farolas 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 estado excitado, sólo permanece allí durante unas 17 milmillonésimas de segundo antes de emitir un fotón de color amarillo anaranjado.
Ahora, en las auroras, muchos átomos de oxígeno se crean en estados de excitación y no tienen una forma “permitida” de relajarse emitiendo luz. Sin embargo, la naturaleza encuentra un camino.
La luz verde que domina las auroras es emitida por átomos de oxígeno que pasan de un estado llamado “¹S” a un estado llamado “¹D”. Se trata de un proceso relativamente lento, que dura en promedio casi un segundo completo.
De hecho, esta transición es tan lenta que generalmente no ocurre a la presión atmosférica que observamos a nivel del suelo, porque el átomo excitado habrá perdido energía al chocar con otro átomo antes de que haya tenido tiempo de enviar un bonito fotón verde. Pero en las capas superiores de la atmósfera, donde la presión atmosférica es menor y, por tanto, hay menos moléculas de oxígeno, los átomos tienen más tiempo antes de chocar entre sí y, por tanto, tienen posibilidades de liberar un fotón.
Por eso 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 conocía desde la década de 1860, pero no fue hasta la década de 1920 que los científicos canadienses se dieron cuenta de que el verde de la aurora se debía al oxígeno.
¿Qué produce 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 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 forma de escapar es pasar por 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 debe sobrevivir durante unos dos minutos antes de que finalmente pueda romper las reglas y emitir luz roja. Debido a este retraso, 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 sólo aparece en auroras intensas, como las que acabamos de experimentar.
Por eso la luz roja aparece encima de la luz 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
Si bien el verde es el color más común en las auroras y el rojo el segundo, también existen 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 captar luz durante más tiempo que nuestros ojos para producir una imagen. Para que puedan tomar una foto en condiciones de poca luz.
Por otro lado, los sensores de color de nuestros ojos no funcionan muy bien en la oscuridad; por eso tendemos a ver en blanco y negro en condiciones de poca luz. Las cámaras no tienen esta limitación.
No hay necesidad de preocuparse. Cuando la aurora es lo suficientemente brillante, los colores son claramente visibles a simple vista.
Timothy Schmidt, profesor de química, UNSW Sydney
Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.
