Cosa causa i diversi colori dell’aurora? Un esperto spiega l’arcobaleno elettrico

La scorsa settimana, un’enorme eruzione solare ha inviato un’ondata di particelle energetiche provenienti dal Sole che sfrecciano nello spazio. Durante il fine settimana, l’onda ha raggiunto la terra e le persone di tutto il mondo si sono divertite a vedere un’aurora boreale insolitamente luminosa in entrambi gli emisferi.

Sebbene l’aurora boreale sia solitamente visibile solo vicino ai poli, è stata avvistata questo fine settimana. Dal sud alle Hawaii Nell’emisfero settentrionale, e Fino a nord, fino a Mackay al Sud.

Questa spettacolare ondata di attività aurorale sembra essere finita, ma non preoccuparti se te la sei persa. Il sole si sta avvicinando al suo zenit Il ciclo delle macchie solari dura 11 anniÈ probabile che periodi di intenso crepuscolo ritornino entro il prossimo anno circa.

Se hai visto l’aurora boreale o una qualsiasi delle foto, probabilmente ti starai chiedendo cosa stava succedendo esattamente. Cosa rende il bagliore e i diversi colori? La risposta riguarda gli atomi, come sono eccitati e come si rilassano.

Quando gli elettroni incontrano l’atmosfera

Le aurore sono causate da particelle subatomiche cariche (principalmente elettroni) che entrano in collisione con l’atmosfera terrestre. Questi elementi vengono emessi continuamente dal sole, ma ce ne sono di più durante i periodi di maggiore attività solare.

La maggior parte della nostra atmosfera è protetta dal flusso di particelle cariche dal campo magnetico terrestre. Ma vicino ai poli possono intrufolarsi e provocare il caos.

L’atmosfera terrestre è composta per circa il 20% da ossigeno e per l’80% da azoto, con tracce di altre cose come acqua, anidride carbonica (0,04%) e argon.

Quando gli elettroni ad alta velocità si scontrano con le molecole di ossigeno nell’alta atmosfera, dividono le molecole di ossigeno (O₂) in singoli atomi. Anche i raggi ultravioletti del sole fanno lo stesso e gli atomi di ossigeno generati possono reagire con le molecole di O₂ per produrre ozono (O₃), la molecola che ci protegge dai dannosi raggi UV.

Ma nel caso dell’aurora gli atomi di ossigeno generati si trovano in uno stato eccitato. Ciò significa che gli elettroni degli atomi sono disposti in maniera instabile e possono “rilassarsi” rilasciando energia sotto forma di luce.

Cosa rende il semaforo verde?

Come puoi vedere nei fuochi d’artificio, gli atomi di diversi elementi producono diversi colori di luce quando sono energizzati.

Gli atomi di rame emettono luce blu, gli atomi di bario emettono luce verde e gli atomi di sodio producono un colore giallo-arancio che potresti aver visto anche nei vecchi lampioni. Queste emissioni sono “ammissibili” secondo le regole della meccanica quantistica, nel senso che si verificano molto rapidamente.

Quando un atomo di sodio è in uno stato eccitato rimane lì solo per 17 miliardesimi di secondo prima di emettere un fotone giallo-arancione.

Tuttavia, nell’aurora, molti atomi di ossigeno vengono creati in stati eccitati senza alcun modo “consentito” di rilassarsi emettendo luce. Tuttavia, la natura trova un modo.

La luce verde che domina l’aurora è emessa dagli atomi di ossigeno che si rilassano da uno stato chiamato “¹S” a uno stato chiamato “¹D”. Questo è un processo relativamente lento, che richiede in media circa un secondo intero.

In effetti, questa transizione è così lenta che normalmente non avverrebbe alla pressione dell’aria che vediamo a livello del suolo, perché l’atomo eccitato perderebbe energia scontrandosi con un altro atomo prima di avere la possibilità di emettere un bellissimo fotone verde. Ma negli strati superiori dell’atmosfera, dove c’è meno pressione atmosferica e quindi meno molecole di ossigeno, hanno più tempo prima di scontrarsi tra loro e quindi avere la possibilità di rilasciare un fotone.

Per questo motivo, gli scienziati hanno impiegato molto tempo per capire che la luce verde dell’aurora proviene da atomi di ossigeno. Il bagliore giallo-arancio del sodio era noto negli anni ’60 dell’Ottocento, ma non fu riconosciuto fino agli anni ’20. Scienziati canadesi Scoprii che il colore verde crepuscolare era dovuto all’ossigeno.

Cosa rende una luce rossa?

La luce verde proviene da una cosiddetta transizione “proibita”, che si verifica quando un elettrone in un atomo di ossigeno fa un salto inaspettato da uno schema orbitale a un altro. (Le transizioni proibite sono molto meno probabili di quelle consentite, il che significa che richiedono più tempo per verificarsi.)

Tuttavia, anche dopo aver emesso quel fotone verde, l’atomo di ossigeno si ritrova in un altro stato eccitato senza alcun rilassamento consentito. L’unica via di fuga è attraverso un’altra transizione bloccata, dallo stato ¹D allo stato ³P – che emette luce rossa.

Questa trasformazione viene per così dire ulteriormente bloccata e lo stato ¹D deve sopravvivere per circa due minuti prima di poter finalmente infrangere le regole ed emettere il semaforo rosso. Poiché impiega così tanto tempo, la luce rossa appare solo ad alta quota, dove le collisioni con atomi e altre molecole sono rare.

Inoltre, poiché lì c’è una piccola quantità di ossigeno, la luce rossa tende ad apparire solo nelle aurore intense, come quelle che abbiamo appena visto.

Questo è il motivo per cui la luce rossa appare sopra il verde. Mentre entrambe derivano dal rilassamento proibito degli atomi di ossigeno, la luce rossa viene emessa molto più lentamente e ha maggiori probabilità di essere spenta dalle collisioni con altri atomi a quote inferiori.

Altri colori e perché le fotocamere li vedono meglio?

Sebbene il verde sia il colore più comune visto nell’aurora boreale e il rosso sia il secondo più comune, ci sono anche altri colori. In particolare, le molecole di azoto ionizzato (N₂⁺, a cui manca un elettrone e hanno una carica elettrica positiva), possono emettere luce blu e rossa. Questo può produrre un colore viola ad altitudini più basse.

Tutti questi colori sono visibili ad occhio nudo se l’aurora è abbastanza luminosa. Tuttavia, appaiono in modo più forte nel mirino.

Ci sono due ragioni per questo. Innanzitutto, le fotocamere hanno il vantaggio di una lunga esposizione, il che significa che possono dedicare più tempo a raccogliere la luce per produrre un’immagine rispetto ai nostri occhi. Di conseguenza, possono scattare una foto in condizioni di scarsa illuminazione.

Il secondo motivo è che i sensori di colore dei nostri occhi non funzionano bene al buio, quindi tendiamo a vedere in bianco e nero in condizioni di scarsa illuminazione. Le fotocamere non hanno questa limitazione.

Non c’è bisogno di preoccuparsi, però. Quando l’aurora è sufficientemente luminosa, i colori sono chiaramente visibili ad occhio nudo.

Per saperne di più: Cos’è l’aurora boreale e perché sono disponibili in diverse forme e colori? Lo spiegano due esperti