O que causa as diferentes cores da aurora? Um especialista explica o arco-íris elétrico

Na semana passada, uma enorme explosão solar enviou uma onda de partículas energéticas do Sol através do espaço. No fim de semana, a onda chegou à terra firme e pessoas de todo o mundo gostaram de ver auroras boreais invulgarmente brilhantes em ambos os hemisférios.

Embora as auroras boreais normalmente só sejam visíveis perto dos pólos, elas foram avistadas neste fim de semana. Sul para o Havaí No Hemisfério Norte e No extremo norte até Mackay no sul.

Este aumento espetacular na atividade auroral parece ter acabado, mas não se preocupe se você perdeu. O sol está se aproximando do seu zênite O ciclo das manchas solares dura 11 anosÉ provável que períodos de crepúsculo intenso retornem no próximo ano ou depois.

Se você viu a aurora boreal ou alguma das fotos, provavelmente está se perguntando o que exatamente estava acontecendo. O que faz o brilho e as cores diferentes? A resposta tem a ver com os átomos, como eles são excitados e como relaxam.

Quando os elétrons encontram a atmosfera

Auroras são causadas por partículas subatômicas carregadas (principalmente elétrons) que colidem com a atmosfera da Terra. Esses elementos são emitidos pelo sol o tempo todo, mas há mais deles em épocas de maior atividade solar.

A maior parte da nossa atmosfera está protegida do fluxo de partículas carregadas pelo campo magnético da Terra. Mas perto dos pólos, eles podem entrar furtivamente e causar estragos.

A atmosfera da Terra é composta por cerca de 20% de oxigênio e 80% de nitrogênio, com vestígios de outras coisas como água, dióxido de carbono (0,04%) e argônio.

Quando elétrons em alta velocidade colidem com moléculas de oxigênio na alta atmosfera, eles dividem as moléculas de oxigênio (O₂) em átomos individuais. Os raios ultravioleta do sol também fazem isso, e os átomos de oxigênio gerados podem reagir com as moléculas de O₂ para produzir ozônio (O₃), a molécula que nos protege dos nocivos raios UV.

Mas no caso da aurora, os átomos de oxigênio gerados estão em estado excitado. Isso significa que os elétrons dos átomos estão dispostos de forma instável e podem “relaxar” liberando energia na forma de luz.

O que torna uma luz verde?

Como você pode ver nos fogos de artifício, átomos de diferentes elementos produzem diferentes cores de luz quando são energizados.

Os átomos de cobre emitem luz azul, os átomos de bário emitem luz verde e os átomos de sódio produzem uma cor amarelo-laranja que você também pode ter visto em postes de luz antigos. Estas emissões são “permitidas” pelas regras da mecânica quântica, o que significa que acontecem muito rapidamente.

Quando um átomo de sódio está em estado excitado, ele permanece lá por apenas 17 bilionésimos de segundo antes de emitir um fóton amarelo-laranja.

No entanto, na aurora, muitos átomos de oxigénio são criados em estados excitados, sem formas “permitidas” de relaxar através da emissão de luz. No entanto, a natureza encontra um caminho.

A luz verde que domina a aurora é emitida por átomos de oxigênio que relaxam de um estado chamado “¹S” para um estado chamado “¹D”. Este é um processo relativamente lento, demorando em média cerca de um segundo inteiro.

Na verdade, esta transição é tão lenta que normalmente não ocorreria à pressão do ar que vemos ao nível do solo, porque o átomo excitado perderia energia ao colidir com outro átomo antes de ter a oportunidade de enviar um belo fotão verde. Mas nas camadas superiores da atmosfera, onde há menos pressão atmosférica e, portanto, menos moléculas de oxigênio, elas têm mais tempo antes de colidirem umas com as outras e, assim, terem a chance de liberar um fóton.

Por esta razão, os cientistas demoraram muito para descobrir que a luz verde da aurora vem dos átomos de oxigênio. O brilho amarelo-laranja do sódio era conhecido na década de 1860, mas não foi reconhecido até a década de 1920. Cientistas canadenses Descobri que a cor verde crepuscular se devia ao oxigênio.

O que torna uma luz vermelha?

A luz verde vem de uma chamada transição “proibida”, que ocorre quando um elétron em um átomo de oxigênio dá um salto inesperado de um padrão orbital para outro. (As transições proibidas são muito menos prováveis ​​do que as transições permitidas, o que significa que demoram mais para ocorrer.)

Porém, mesmo após emitir aquele fóton verde, o átomo de oxigênio se encontra em outro estado excitado sem permitir relaxamento. A única saída é através de outra transição bloqueada, do estado ¹D para o estado ³P – que emite luz vermelha.

Esta transição está ainda mais bloqueada, por assim dizer, e o estado ¹D deve permanecer durante cerca de dois minutos antes de poder finalmente quebrar as regras e dar luz vermelha. Por demorar tanto, a luz vermelha só aparece em grandes altitudes, onde as colisões com átomos e outras moléculas são raras.

Além disso, por haver ali uma pequena quantidade de oxigênio, a luz vermelha tende a aparecer apenas em auroras intensas, como as que acabamos de ver.

É por isso que a luz vermelha aparece acima do verde. Embora ambos surjam do relaxamento proibido dos átomos de oxigênio, a luz vermelha é emitida muito mais lentamente e tem maior chance de ser extinta por colisões com outros átomos em altitudes mais baixas.

Outras cores e por que as câmeras as veem melhor?

Embora o verde seja a cor mais comum vista na aurora boreal e o vermelho seja a segunda mais comum, também existem outras cores. Em particular, moléculas de nitrogênio ionizado (N₂⁺, às quais falta um elétron e têm carga elétrica positiva), podem emitir luz azul e vermelha. Isso pode produzir uma cor roxa em altitudes mais baixas.

Todas essas cores são visíveis a olho nu se a aurora for suficientemente brilhante. No entanto, eles aparecem com mais força no visor.

Há duas razões para isso. Primeiro, as câmeras têm a vantagem da longa exposição, o que significa que podem gastar mais tempo coletando luz para produzir uma imagem do que nossos olhos. Como resultado, eles podem tirar fotos em condições de pouca luz.

A segunda razão é que os sensores de cor dos nossos olhos não funcionam bem no escuro, por isso tendemos a ver em preto e branco em condições de pouca luz. As câmeras não têm essa limitação.

Não precisa se preocupar, no entanto. Quando a aurora é suficientemente brilhante, as cores são claramente visíveis a olho nu.

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