Una aurora [a] ( pl. aurorae o auroras ), [b] también conocida comúnmente como aurora boreal ( aurora boreal ) o aurora austral ( aurora australis ), [c] es un despliegue de luz natural en el cielo de la Tierra , predominantemente visto en regiones de altas latitudes (alrededor del Ártico y la Antártida ). Las auroras muestran patrones dinámicos de luces brillantes que aparecen como cortinas, rayos, espirales o parpadeos dinámicos que cubren todo el cielo. [3]
Las auroras son el resultado de perturbaciones en la magnetosfera provocadas por el viento solar . Las perturbaciones importantes resultan de aumentos en la velocidad del viento solar debido a los agujeros coronales y las eyecciones de masa coronal . Estas perturbaciones alteran las trayectorias de las partículas cargadas en el plasma magnetosférico. Estas partículas, principalmente electrones y protones , precipitan en la atmósfera superior ( termósfera / exosfera ). La ionización y excitación resultantes de los componentes atmosféricos emiten luz de diferentes colores y complejidad. La forma de la aurora, que se produce dentro de bandas alrededor de ambas regiones polares, también depende de la cantidad de aceleración impartida a las partículas que precipitan.
La mayoría de los planetas del Sistema Solar , algunos satélites naturales , enanas marrones e incluso cometas también albergan auroras.
El término aurora boreal fue acuñado por Galileo en 1619, a partir de la romana Aurora, diosa del amanecer y del nombre griego del viento del norte ( Bóreas ). [4] [5]
La palabra aurora deriva del nombre de la diosa romana del amanecer, Aurora , que viajaba de este a oeste anunciando la llegada del sol . [6] Los poetas griegos antiguos usaban el nombre correspondiente Eos metafóricamente para referirse al amanecer, mencionando a menudo su juego de colores en el cielo que de otro modo sería oscuro (por ejemplo, "amanecer de dedos rosados"). [7]
Las palabras borealis y australis se derivan de los nombres de los antiguos dioses del viento del norte ( Boreas ) y del viento del sur ( Auster ) en la mitología griega .
La mayoría de las auroras ocurren en una banda conocida como "zona auroral", [8] que típicamente tiene entre 3° y 6° (aproximadamente 330-660 km) de ancho en latitud y entre 10° y 20° desde los polos geomagnéticos en todas las horas locales. (o longitudes), visto más claramente de noche contra un cielo oscuro. Una región que actualmente muestra una aurora se llama "óvalo auroral", una banda desplazada por el viento solar hacia el lado nocturno de la Tierra. [9] Las primeras pruebas de una conexión geomagnética provienen de las estadísticas de observaciones de auroras. Elias Loomis (1860), [10] y posteriormente Hermann Fritz (1881) [11] y Sophus Tromholt (1881) [12] con más detalle, establecieron que las auroras aparecían principalmente en la zona auroral.
En latitudes norteñas , el efecto se conoce como aurora boreal o aurora boreal. La contraparte del sur, la aurora australis o las luces del sur, tiene características casi idénticas a las de la aurora boreal y cambia simultáneamente con los cambios en la zona auroral del norte. [13] La aurora australis es visible desde altas latitudes australes en la Antártida , Chile , Argentina , Sudáfrica , Nueva Zelanda y Australia . La aurora boreal es visible desde áreas alrededor del Ártico como Alaska , los territorios canadienses , Islandia , Groenlandia , Noruega , Suecia , Finlandia , Escocia y Siberia . En raras ocasiones, la aurora boreal puede verse hasta el sur del Mediterráneo y los estados del sur de Estados Unidos.
Una tormenta geomagnética hace que los óvalos aurorales (norte y sur) se expandan, llevando la aurora a latitudes más bajas. La distribución instantánea de las auroras ("óvalo auroral") [8] es ligeramente diferente, ya que está centrada entre 3 y 5° hacia la noche con respecto al polo magnético, de modo que los arcos aurorales alcanzan su punto máximo hacia el ecuador cuando el polo magnético en cuestión está entre los dos polos magnéticos. observador y el Sol . La aurora se puede ver mejor en este momento, que se llama medianoche magnética .
Las auroras vistas dentro del óvalo auroral pueden estar directamente encima, pero desde más lejos iluminan el horizonte hacia el polo como un resplandor verdoso o, a veces, un rojo tenue, como si el Sol estuviera saliendo desde una dirección inusual. Las auroras también ocurren hacia el polo de la zona auroral como parches difusos o arcos, [14] que pueden ser subvisuales.
Ocasionalmente se ven auroras en latitudes por debajo de la zona auroral, cuando una tormenta geomagnética agranda temporalmente el óvalo auroral. Las grandes tormentas geomagnéticas son más comunes durante el pico del ciclo de manchas solares de 11 años o durante los tres años posteriores al pico. [15] [16] Un electrón gira en espiral (gira) alrededor de una línea de campo en un ángulo determinado por sus vectores de velocidad, paralelo y perpendicular, respectivamente, al vector de campo geomagnético local B. Este ángulo se conoce como "ángulo de inclinación". " de la partícula. La distancia o radio del electrón desde la línea de campo en cualquier momento se conoce como radio de Larmor. El ángulo de paso aumenta a medida que el electrón viaja a una región de mayor intensidad de campo más cercana a la atmósfera. Por lo tanto, es posible que algunas partículas regresen, o se reflejen, si el ángulo llega a ser de 90° antes de entrar a la atmósfera para chocar con las moléculas más densas allí. Otras partículas que no reflejan ingresan a la atmósfera y contribuyen a la visualización de las auroras en una variedad de altitudes. Desde el espacio se han observado otros tipos de auroras; por ejemplo, los "arcos hacia los polos" que se extienden hacia el sol a través del casquete polar, la "theta aurora" relacionada, [17] y los "arcos diurnos" cerca del mediodía. Estos son relativamente poco frecuentes y poco comprendidos. Se producen otros efectos interesantes, como la aurora pulsante, la "aurora negra" y su compañera más rara, la "aurora anti-negra" y los arcos rojos subvisuales. Además de todo esto, se observa un brillo débil (a menudo de color rojo intenso) alrededor de las dos cúspides polares, las líneas de campo que separan las que se acercan a la Tierra de las que son arrastradas hacia la cola y se cierran de forma remota.
Los primeros trabajos sobre la obtención de imágenes de las auroras se realizaron en 1949 por la Universidad de Saskatchewan utilizando el radar SCR-270 . [ cita necesaria ] Las altitudes donde se producen las emisiones aurorales fueron reveladas por Carl Størmer y sus colegas, quienes utilizaron cámaras para triangular más de 12.000 auroras. [18] Descubrieron que la mayor parte de la luz se produce entre 90 y 150 km (56 y 93 millas) sobre el suelo, mientras que en ocasiones se extiende a más de 1000 km (620 millas).
Según Clark (2007), hay cinco formas principales que pueden verse desde el suelo, de menos a más visibles: [19]
Brekke (1994) también describió algunas auroras como "cortinas". [21] La similitud con las cortinas a menudo se ve realzada por los pliegues dentro de los arcos. Los arcos pueden fragmentarse o dividirse en características separadas, a veces cambiantes rápidamente, a menudo radiadas que pueden llenar todo el cielo. También se conocen como auroras discretas , que en ocasiones son lo suficientemente brillantes como para leer un periódico por la noche. [22]
Estas formas son consistentes con las auroras formadas por el campo magnético de la Tierra. La apariencia de arcos, rayos, cortinas y coronas está determinada por las formas de las partes luminosas de la atmósfera y la posición del espectador . [23]
Las auroras cambian con el tiempo, durante la noche comienzan con resplandores y avanzan hacia coronas, aunque es posible que no lleguen a ellas. Suelen desaparecer en el orden opuesto. [21] Hasta aproximadamente 1963 se pensaba que estos cambios se debían a la rotación de la Tierra bajo un patrón fijo con respecto al Sol. Posteriormente, al comparar películas de auroras de diferentes lugares (recopiladas durante el Año Geofísico Internacional ) se descubrió que a menudo sufren cambios globales en un proceso llamado subtormenta auroral . Cambian en unos pocos minutos de arcos silenciosos a lo largo del óvalo auroral a exhibiciones activas a lo largo del lado oscuro y después de 1 a 3 horas vuelven a cambiar gradualmente. [27] Los cambios en las auroras a lo largo del tiempo se visualizan comúnmente mediante keogramas . [28]
En escalas de tiempo más cortas, las auroras pueden cambiar su apariencia e intensidad, a veces tan lentamente que resulta difícil notarlas, y en otras ocasiones rápidamente hasta una escala inferior a un segundo. [22] El fenómeno de las auroras pulsantes es un ejemplo de variaciones de intensidad en escalas de tiempo cortas, típicamente con períodos de 2 a 20 segundos. Este tipo de aurora suele ir acompañado de alturas máximas de emisión decrecientes de unos 8 km para las emisiones azules y verdes y velocidades del viento solar superiores a la media (alrededor de 500 km/s). [29]
Además, la aurora y las corrientes asociadas producen una fuerte emisión de radio de alrededor de 150 kHz conocida como radiación kilométrica auroral (AKR), descubierta en 1972. [30] La absorción ionosférica hace que la AKR sólo sea observable desde el espacio. También se han detectado emisiones de rayos X, procedentes de las partículas asociadas a las auroras. [31]
El ruido de las auroras , similar a un crujido, comienza a unos 70 m (230 pies) sobre la superficie de la Tierra y es causado por partículas cargadas en una capa de inversión de la atmósfera formada durante una noche fría. Las partículas cargadas se descargan cuando las partículas del Sol golpean la capa de inversión, creando el ruido. [32] [33]
En 2016, más de cincuenta observaciones de ciencia ciudadana describieron lo que para ellos era un tipo desconocido de aurora a la que llamaron " STEVE ", por "Fuerte mejora de la velocidad de emisión térmica". STEVE no es una aurora, sino que es causada por una cinta de plasma caliente de 25 km (16 millas) de ancho a una altitud de 450 km (280 millas), con una temperatura de 6.000 K (5.730 °C; 10.340 °F) y que fluye a una velocidad de 6 km/s (3,7 mi/s) (en comparación con 10 m/s (33 pies/s) fuera de la cinta). [34]
Los procesos que causan STEVE también están asociados con una aurora en forma de valla, aunque esta última se puede ver sin STEVE. [35] [36] Es una aurora porque es causada por la precipitación de electrones en la atmósfera, pero aparece fuera del óvalo auroral, [37] más cerca del ecuador que las auroras típicas. [38] Cuando aparece la aurora de la cerca con STEVE, está debajo. [36]
Reportado por primera vez en 2020 [39] [40] y confirmado en 2021 [41] [42], el fenómeno de la aurora de las dunas fue descubierto [43] por científicos ciudadanos finlandeses . Consiste en franjas paralelas regularmente espaciadas de emisión más brillante en la aurora verde difusa que dan la impresión de dunas de arena. [44] Se cree que el fenómeno es causado por la modulación de la densidad atómica del oxígeno por una onda atmosférica de gran escala que viaja horizontalmente en una guía de ondas a través de una capa de inversión en la mesosfera en presencia de precipitación de electrones . [41]
Las auroras de collar de caballo (HCA) son características aurorales en las que la elipse auroral se desplaza hacia el polo durante las partes del amanecer y el anochecer y el casquete polar adquiere forma de lágrima. Se forman durante períodos en los que el campo magnético interplanetario (FMI) está permanentemente hacia el norte, cuando el ángulo del reloj del FMI es pequeño. Su formación está asociada con el cierre del flujo magnético en la parte superior de la magnetosfera del lado diurno mediante la reconexión de doble lóbulo (DLR). Hay aproximadamente 8 eventos HCA por mes, sin dependencia estacional, y el FMI debe estar dentro de los 30 grados hacia el norte. [45]
Las auroras conjugadas son imágenes especulares casi exactas que se encuentran en puntos conjugados en los hemisferios norte y sur en las mismas líneas del campo geomagnético. Estos generalmente ocurren en el momento de los equinoccios , cuando hay poca diferencia en la orientación de los polos geomagnéticos norte y sur con respecto al sol. Se hicieron intentos para obtener imágenes de auroras conjugadas mediante aviones desde Alaska y Nueva Zelanda en 1967, 1968, 1970 y 1971, con cierto éxito. [46]
Una comprensión completa de los procesos físicos que conducen a los diferentes tipos de auroras aún está incompleta, pero la causa básica implica la interacción del viento solar con la magnetosfera de la Tierra . La intensidad variable del viento solar produce efectos de diferentes magnitudes pero incluye uno o más de los siguientes escenarios físicos.
Los detalles de estos fenómenos no se comprenden completamente. Sin embargo, está claro que la fuente principal de partículas aurorales es el viento solar que alimenta la magnetosfera, el depósito que contiene las zonas de radiación y las partículas temporalmente atrapadas magnéticamente confinadas por el campo geomagnético, junto con procesos de aceleración de partículas. [47]
La causa inmediata de la ionización y excitación de los componentes atmosféricos que conducen a las emisiones aurorales se descubrió en 1960, cuando un vuelo pionero en cohete desde Fort Churchill en Canadá reveló un flujo de electrones que ingresaban a la atmósfera desde arriba. [48] Desde entonces, muchos equipos de investigación han adquirido minuciosamente y con una resolución en constante mejora desde la década de 1960 una extensa colección de mediciones que utilizan cohetes y satélites para atravesar la zona auroral. Los principales hallazgos han sido que los arcos aurorales y otras formas brillantes se deben a electrones que han sido acelerados durante los últimos 10.000 km aproximadamente de su inmersión en la atmósfera. [49] Estos electrones a menudo, pero no siempre, exhiben un pico en su distribución de energía y están alineados preferentemente a lo largo de la dirección local del campo magnético.
Los electrones responsables principalmente de las auroras difusas y pulsantes tienen, por el contrario, una distribución de energía que cae suavemente y una distribución angular (ángulo de inclinación) que favorece las direcciones perpendiculares al campo magnético local. Se descubrió que las pulsaciones se originan en el punto de cruce ecuatorial de las líneas del campo magnético de la zona auroral o cerca de él. [50] Los protones también están asociados con las auroras, tanto discretas como difusas.
Las auroras resultan de emisiones de fotones en la atmósfera superior de la Tierra , por encima de 80 km (50 millas), de átomos de nitrógeno ionizados que recuperan un electrón, y átomos de oxígeno y moléculas basadas en nitrógeno que regresan de un estado excitado al estado fundamental . [51] Son ionizados o excitados por la colisión de partículas precipitadas en la atmósfera. Pueden estar involucrados tanto electrones como protones entrantes. La energía de excitación se pierde dentro de la atmósfera por la emisión de un fotón o por colisión con otro átomo o molécula:
El oxígeno es inusual en términos de su regreso al estado fundamental: puede tardar 0,7 segundos en emitir la luz verde de 557,7 nm y hasta dos minutos para la emisión roja de 630,0 nm. Las colisiones con otros átomos o moléculas absorben la energía de excitación y evitan la emisión; este proceso se llama extinción por colisión . Debido a que las partes más altas de la atmósfera contienen un mayor porcentaje de oxígeno y menores densidades de partículas, tales colisiones son lo suficientemente raras como para dar tiempo al oxígeno para emitir luz roja. Las colisiones se vuelven más frecuentes a medida que avanzan hacia la atmósfera debido al aumento de la densidad, de modo que las emisiones rojas no tienen tiempo de ocurrir y, eventualmente, incluso se evitan las emisiones de luz verde.
Por eso hay una diferencia de color con la altitud; a grandes altitudes domina el oxígeno rojo, luego el oxígeno verde y el nitrógeno azul/púrpura/rojo, y finalmente el nitrógeno azul/púrpura/rojo cuando las colisiones impiden que el oxígeno emita nada. El verde es el color más común. Luego viene el rosa, una mezcla de verde claro y rojo, seguido del rojo puro, luego el amarillo (una mezcla de rojo y verde) y, finalmente, el azul puro.
Los protones que precipitan generalmente producen emisiones ópticas como átomos de hidrógeno incidentes después de ganar electrones de la atmósfera. Las auroras de protones suelen observarse en latitudes más bajas. [52]
Las auroras brillantes generalmente están asociadas con las corrientes de Birkeland (Schield et al., 1969; [53] Zmuda y Armstrong, 1973 [54] ), que fluyen hacia la ionosfera por un lado del polo y salen por el otro. En el medio, parte de la corriente se conecta directamente a través de la capa E ionosférica (125 km); el resto ("región 2") se desvía, saliendo nuevamente a través de líneas de campo más cercanas al ecuador y cerrándose a través de la "corriente de anillo parcial" transportada por plasma atrapado magnéticamente. La ionosfera es un conductor óhmico , por lo que algunos consideran que tales corrientes requieren un voltaje impulsor, que puede suministrar un mecanismo de dinamo, aún no especificado. Las sondas de campo eléctrico en órbita sobre el casquete polar sugieren voltajes del orden de 40.000 voltios, que aumentan hasta más de 200.000 voltios durante intensas tormentas magnéticas. En otra interpretación, las corrientes son el resultado directo de la aceleración de los electrones hacia la atmósfera mediante interacciones onda/partícula.
La resistencia ionosférica tiene una naturaleza compleja y conduce a un flujo de corriente Hall secundario . Por un extraño giro de la física, la perturbación magnética en el suelo debida a la corriente principal casi se anula, por lo que la mayor parte del efecto observado de las auroras se debe a una corriente secundaria, el electrochorro auroral . Un índice de electrochorro auroral (medido en nanotesla) se deriva periódicamente de datos terrestres y sirve como medida general de la actividad auroral. Kristian Birkeland [55] dedujo que las corrientes fluían en direcciones este-oeste a lo largo del arco auroral, y dichas corrientes, que fluían desde el lado del día hacia (aproximadamente) la medianoche, fueron posteriormente denominadas "electrojets aurorales" (ver también Corrientes de Birkeland ). La ionosfera puede contribuir a la formación de arcos aurorales a través de la inestabilidad de retroalimentación en condiciones de alta resistencia ionosférica, observada durante la noche y en el hemisferio oscuro de invierno. [56]
La Tierra está constantemente inmersa en el viento solar , un flujo de plasma caliente magnetizado (un gas de electrones libres e iones positivos) emitido por el Sol en todas direcciones, resultado de la temperatura de dos millones de grados de la capa más externa del Sol, la corona . El viento solar llega a la Tierra con una velocidad típica de alrededor de 400 km/s, una densidad de alrededor de 5 iones/cm 3 y una intensidad de campo magnético de alrededor de 2 a 5 nT (a modo de comparación, el campo de la superficie de la Tierra suele ser de 30.000 a 50.000 nT). En particular, durante las tormentas magnéticas , los flujos pueden ser varias veces más rápidos; el campo magnético interplanetario (FMI) también puede ser mucho más fuerte. Joan Feynman dedujo en la década de 1970 que los promedios a largo plazo de la velocidad del viento solar se correlacionaban con la actividad geomagnética. [57] Su trabajo fue el resultado de datos recopilados por la nave espacial Explorer 33 .
El viento solar y la magnetosfera están compuestos de plasma (gas ionizado), que conduce la electricidad. Es bien sabido (desde el trabajo de Michael Faraday alrededor de 1830) que cuando un conductor eléctrico se coloca dentro de un campo magnético mientras se produce un movimiento relativo en una dirección en la que el conductor corta (o es cortado por ), en lugar de a lo largo , las líneas del campo magnético, se induce una corriente eléctrica dentro del conductor. La intensidad de la corriente depende de a) la velocidad del movimiento relativo, b) la intensidad del campo magnético, c) el número de conductores agrupados y d) la distancia entre el conductor y el campo magnético, mientras que la dirección del flujo depende de la dirección del movimiento relativo. Las dinamos hacen uso de este proceso básico ("el efecto dinamo "), todos y cada uno de los conductores, sólidos o no, se ven afectados, incluidos los plasmas y otros fluidos.
El FMI se origina en el Sol, vinculado a las manchas solares , y sus líneas de campo (líneas de fuerza) son arrastradas por el viento solar. Eso por sí solo tendería a alinearlos en la dirección Sol-Tierra, pero la rotación del Sol los inclina hacia la Tierra unos 45 grados formando una espiral en el plano de la eclíptica, conocida como espiral de Parker . Por lo tanto, las líneas de campo que pasan por la Tierra suelen estar vinculadas a aquellas cercanas al borde occidental ("rama") del Sol visible en cualquier momento. [58]
El viento solar y la magnetosfera, al ser dos fluidos conductores de electricidad en movimiento relativo, deberían poder en principio generar corrientes eléctricas mediante la acción de una dinamo e impartir energía a partir del flujo del viento solar. Sin embargo, este proceso se ve obstaculizado por el hecho de que los plasmas se conducen fácilmente a lo largo de las líneas del campo magnético, pero menos fácilmente en dirección perpendicular a ellas. La energía se transfiere más eficazmente mediante la conexión magnética temporal entre las líneas de campo del viento solar y las de la magnetosfera. Como era de esperar, este proceso se conoce como reconexión magnética . Como ya se mencionó, esto ocurre más fácilmente cuando el campo interplanetario se dirige hacia el sur, en una dirección similar al campo geomagnético en las regiones internas tanto del polo magnético norte como del polo magnético sur .
Las auroras son más frecuentes y brillantes durante la fase intensa del ciclo solar cuando las eyecciones de masa coronal aumentan la intensidad del viento solar. [59]
La magnetosfera de la Tierra está formada por el impacto del viento solar sobre el campo magnético de la Tierra. Esto forma un obstáculo al flujo, desviándolo, a una distancia promedio de aproximadamente 70.000 km (11 radios terrestres o Re), [60] produciendo un arco de choque de 12.000 a 15.000 km (1,9 a 2,4 Re) más arriba. La anchura de la magnetosfera frente a la Tierra suele ser de 190.000 km (30 Re), y en el lado nocturno una larga "cola magnética" de líneas de campo estiradas se extiende a grandes distancias (> 200 Re).
La magnetosfera de alta latitud se llena de plasma cuando el viento solar pasa por la Tierra. El flujo de plasma hacia la magnetosfera aumenta con la turbulencia, densidad y velocidad adicionales del viento solar. Este flujo se ve favorecido por un componente hacia el sur del FMI, que luego puede conectarse directamente a las líneas del campo geomagnético de alta latitud. [61] El patrón de flujo del plasma magnetosférico es principalmente desde la cola magnética hacia la Tierra, alrededor de la Tierra y de regreso al viento solar a través de la magnetopausa en el lado diurno. Además de moverse perpendicular al campo magnético de la Tierra, parte del plasma magnetosférico viaja hacia abajo a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra, gana energía adicional y la pierde hacia la atmósfera en las zonas aurorales. Las cúspides de la magnetosfera, que separan las líneas del campo geomagnético que se cierran a través de la Tierra de las que se cierran de forma remota, permiten que una pequeña cantidad de viento solar alcance directamente la parte superior de la atmósfera, produciendo un brillo auroral.
El 26 de febrero de 2008, las sondas THEMIS pudieron determinar por primera vez el factor desencadenante de la aparición de subtormentas magnetosféricas . [62] Dos de las cinco sondas, ubicadas aproximadamente a un tercio de la distancia a la Luna, midieron eventos que sugieren un evento de reconexión magnética 96 segundos antes de la intensificación de las auroras. [63]
Las tormentas geomagnéticas que encienden las auroras pueden ocurrir con más frecuencia durante los meses cercanos a los equinoccios . No se comprende bien, pero las tormentas geomagnéticas pueden variar según las estaciones de la Tierra. Dos factores a considerar son la inclinación del eje solar y de la Tierra con respecto al plano de la eclíptica. A medida que la Tierra orbita durante un año, experimenta un campo magnético interplanetario (FMI) procedente de diferentes latitudes del Sol, que está inclinado 8 grados. De manera similar, la inclinación de 23 grados del eje de la Tierra alrededor del cual gira el polo geomagnético con una variación diurna cambia el ángulo promedio diario que presenta el campo geomagnético al FMI incidente a lo largo de un año. Estos factores combinados pueden conducir a cambios cíclicos menores en la forma detallada en que el FMI se vincula con la magnetosfera. A su vez, esto afecta la probabilidad promedio de abrir una puerta [ coloquialismo ] a través de la cual la energía del viento solar puede llegar a la magnetosfera interior de la Tierra y así realzar las auroras. La evidencia reciente en 2021 ha demostrado que las subtormentas individuales separadas pueden, de hecho, ser comunidades interconectadas correlacionadas. [64]
Así como hay muchos tipos de auroras, existen muchos mecanismos diferentes que aceleran las partículas aurorales hacia la atmósfera. La aurora electrónica en la zona auroral de la Tierra (es decir, la aurora comúnmente visible) se puede dividir en dos categorías principales con diferentes causas inmediatas: aurora difusa y discreta. Las auroras difusas parecen relativamente sin estructura para un observador desde el suelo, con bordes confusos y formas amorfas. Las auroras discretas se estructuran en características distintas con bordes bien definidos, como arcos, rayos y coronas; también tienden a ser mucho más brillantes que la aurora difusa.
En ambos casos, los electrones que eventualmente causan la aurora comienzan como electrones atrapados por el campo magnético en la magnetosfera de la Tierra . Estas partículas atrapadas rebotan hacia adelante y hacia atrás a lo largo de las líneas del campo magnético y el espejo magnético formado por la creciente intensidad del campo magnético más cerca de la Tierra impide que golpeen la atmósfera. La capacidad del espejo magnético para atrapar una partícula depende del ángulo de paso de la partícula : el ángulo entre su dirección de movimiento y el campo magnético local. Una aurora se crea mediante procesos que disminuyen el ángulo de paso de muchos electrones individuales, liberándolos de la trampa magnética y provocando que golpeen la atmósfera.
En el caso de las auroras difusas, los ángulos de paso de los electrones se ven alterados por su interacción con diversas ondas de plasma . Cada interacción es esencialmente dispersión onda-partícula ; La energía del electrón después de interactuar con la onda es similar a su energía antes de la interacción, pero la dirección del movimiento se altera. Si la dirección final del movimiento después de la dispersión está cerca de la línea de campo (específicamente, si cae dentro del cono de pérdida ), entonces el electrón golpeará la atmósfera. Las auroras difusas son causadas por el efecto colectivo de muchos de esos electrones dispersos que golpean la atmósfera. El proceso está mediado por las ondas de plasma, que se vuelven más fuertes durante los períodos de alta actividad geomagnética , lo que provoca un aumento de la aurora difusa en esos momentos.
En el caso de las auroras discretas, los electrones atrapados son acelerados hacia la Tierra por campos eléctricos que se forman a una altitud de aproximadamente 4.000 a 12.000 km en la "región de aceleración auroral". Los campos eléctricos apuntan en dirección opuesta a la Tierra (es decir, hacia arriba) a lo largo de la línea del campo magnético. [65] Los electrones que se mueven hacia abajo a través de estos campos ganan una cantidad sustancial de energía (del orden de unos pocos keV ) en la dirección a lo largo de la línea del campo magnético hacia la Tierra. Esta aceleración alineada con el campo disminuye el ángulo de paso de todos los electrones que pasan por la región, lo que hace que muchos de ellos golpeen la atmósfera superior. A diferencia del proceso de dispersión que conduce a las auroras difusas, el campo eléctrico aumenta en la misma cantidad la energía cinética de todos los electrones que transitan hacia abajo a través de la región de aceleración. Esto acelera los electrones desde la magnetosfera con energías inicialmente bajas (decenas de eV o menos) a las energías necesarias para crear una aurora (cientos de eV o más), permitiendo que esa gran fuente de partículas contribuya a crear la luz de la aurora.
Los electrones acelerados transportan una corriente eléctrica a lo largo de las líneas del campo magnético (una corriente de Birkeland ). Dado que el campo eléctrico apunta en la misma dirección que la corriente, hay una conversión neta de energía electromagnética en energía de partículas en la región de aceleración auroral (una carga eléctrica ). La energía para alimentar esta carga es finalmente suministrada por el viento solar magnetizado que fluye alrededor del obstáculo del campo magnético de la Tierra, aunque exactamente cómo fluye esa energía a través de la magnetosfera sigue siendo un área activa de investigación. [66] Si bien la energía que alimenta la aurora se deriva en última instancia del viento solar, los electrones en sí no viajan directamente desde el viento solar a la zona auroral de la Tierra; Las líneas del campo magnético de estas regiones no se conectan con el viento solar, por lo que no hay acceso directo para los electrones del viento solar.
Algunas características aurorales también son creadas por electrones acelerados por ondas dispersivas de Alfvén . En longitudes de onda pequeñas transversales al campo magnético de fondo (comparable a la longitud de inercia del electrón o radioradio de ion ), las ondas de Alfvén desarrollan un campo eléctrico significativo paralelo al campo magnético de fondo. Este campo eléctrico puede acelerar electrones a energías keV , importantes para producir arcos aurorales. [67] Si los electrones tienen una velocidad cercana a la velocidad de fase de la onda, se aceleran de una manera análoga a un surfista que atrapa una ola del océano. [68] [69] Este campo eléctrico ondulatorio en constante cambio puede acelerar los electrones a lo largo de la línea de campo, haciendo que algunos de ellos golpeen la atmósfera. Los electrones acelerados por este mecanismo tienden a tener un amplio espectro de energía, en contraste con el espectro de energía de picos pronunciados típico de los electrones acelerados por campos eléctricos cuasiestáticos.
Además de la aurora electrónica discreta y difusa, la aurora protónica se produce cuando los protones magnetosféricos chocan con la atmósfera superior. El protón gana un electrón en la interacción y el átomo de hidrógeno neutro resultante emite fotones. La luz resultante es demasiado tenue para verse a simple vista. Otras auroras no cubiertas por la discusión anterior incluyen arcos transpolares (formados hacia el polo de la zona auroral), auroras cúspide (formadas en dos pequeñas áreas de alta latitud en el lado diurno) y algunas auroras no terrestres.
El descubrimiento en 2017 de un diario japonés de 1770 que representaba auroras sobre la antigua capital japonesa de Kioto sugirió que la tormenta pudo haber sido un 7% más grande que el evento Carrington , que afectó a las redes telegráficas. [70] [71]
Sin embargo, se cree que las auroras que resultaron de la " gran tormenta geomagnética " del 28 de agosto y el 2 de septiembre de 1859 son las más espectaculares de la historia reciente. En un artículo dirigido a la Royal Society el 21 de noviembre de 1861, Balfour Stewart describió ambos eventos aurorales documentados por un magnetógrafo autograbado en el Observatorio de Kew y estableció la conexión entre la tormenta auroral del 2 de septiembre de 1859 y el evento de llamarada Carrington -Hodgson cuando observó que "No es imposible suponer que en este caso nuestra luminaria fue sorprendida en el acto ". [72] El segundo evento auroral, que ocurrió el 2 de septiembre de 1859, fue el resultado de la eyección de masa coronal (invisible) asociada con la erupción solar de luz blanca excepcionalmente intensa de Carrington-Hodgson el 1 de septiembre de 1859. Este evento produjo auroras tan extendidas y extraordinariamente brillantes que fueron vistos e informados en mediciones científicas publicadas, registros de barcos y periódicos en todo Estados Unidos, Europa, Japón y Australia. El New York Times informó que el viernes 2 de septiembre de 1859 en Boston la aurora era "tan brillante que alrededor de la una en punto se podía leer a la luz una letra impresa normal". [73] La una en punto, hora EST, del viernes 2 de septiembre habrían sido las 6:00 GMT; El magnetógrafo autograbador del Observatorio de Kew registró la tormenta geomagnética , que entonces tenía una hora de duración, en su máxima intensidad. Entre 1859 y 1862, Elias Loomis publicó una serie de nueve artículos sobre la Gran Exposición Auroral de 1859 en el American Journal of Science , donde recopiló informes mundiales sobre el evento auroral. [10]
Se cree que esa aurora fue producida por una de las eyecciones de masa coronal más intensas de la historia. También destaca el hecho de que es la primera vez que se vinculan inequívocamente los fenómenos de actividad auroral y electricidad. Esta idea fue posible no solo gracias a las mediciones científicas del magnetómetro de la época, sino también como resultado de que una parte significativa de las 125.000 millas (201.000 km) de líneas telegráficas que entonces estaban en servicio se vieron significativamente interrumpidas durante muchas horas durante la tormenta. Sin embargo, algunas líneas telegráficas parecen haber tenido la longitud y orientación adecuadas para producir una corriente geomagnéticamente inducida suficiente desde el campo electromagnético para permitir la comunicación continua con las fuentes de alimentación del operador de telégrafo apagadas. [74] La siguiente conversación ocurrió entre dos operadores de la American Telegraph Line entre Boston y Portland, Maine , en la noche del 2 de septiembre de 1859 y fue reportada en el Boston Traveler :
Operador de Boston (al operador de Portland): "Por favor, corte la batería [fuente de energía] por completo durante quince minutos".
Operador de Portland: "Lo haré. Ahora está desconectado".
Boston: "El mío está desconectado y estamos trabajando con la corriente auroral. ¿Cómo reciben mis escritos?"
Portland: "Mejor que con las pilas puestas. La corriente va y viene poco a poco".
Boston: "Mi corriente es muy fuerte a veces, y podemos trabajar mejor sin las baterías, ya que la aurora parece neutralizar y aumentar nuestras baterías alternativamente, haciendo que la corriente a veces sea demasiado fuerte para nuestros imanes de relé. Supongamos que trabajamos sin baterías mientras están afectados por este problema."
Portland: "Muy bien. ¿Debo seguir adelante con el negocio?"
Boston: "Sí. Adelante".
La conversación se llevó a cabo durante aproximadamente dos horas sin batería alguna y trabajando únicamente con la corriente inducida por la aurora, y se dijo que esta era la primera vez registrada que más de una palabra o dos se transmitían de esa manera. . [73] Tales acontecimientos llevaron a la conclusión general de que
El efecto de la Aurora en el telégrafo eléctrico es generalmente aumentar o disminuir la corriente eléctrica generada al trabajar los cables. A veces los neutraliza por completo, de modo que, en efecto, no se descubre en ellos ningún fluido [corriente]. La aurora boreal parece estar compuesta de una masa de materia eléctrica, parecida en todos los aspectos a la generada por la batería galvánica eléctrica. Las corrientes que circulan por los cables cambian y luego desaparecen: la masa de la aurora rueda desde el horizonte hasta el cenit. [75]
El registro datable más antiguo de una aurora se registró en los Anales de Bambú , una crónica histórica de la historia de la antigua China, en 977 o 957 a.C. [76] Una aurora fue descrita por el explorador griego Piteas en el siglo IV a.C. [77] Séneca escribió sobre las auroras en el primer libro de sus Naturales Quaestiones , clasificándolas, por ejemplo, como pithaei ('en forma de barril'); chasmata ('abismo'); pogoniae ('barbudo'); cyparissae ('como cipreses '); y describiendo sus múltiples colores. Escribió sobre si estaban encima o debajo de las nubes , y recordó que bajo Tiberio , se formó una aurora sobre la ciudad portuaria de Ostia que era tan intensa y roja que una cohorte del ejército, estacionada cerca para el servicio de bomberos, galopó al rescate. . [78] Se ha sugerido que Plinio el Viejo describió la aurora boreal en su Historia Natural , cuando se refiere a trabes , chasma , "llamas rojas que caen" y "luz del día en la noche". [79]
La representación más antigua de la aurora puede haber sido en las pinturas rupestres de Cromagnon del norte de España que datan del 30.000 a.C. [80]
El registro escrito más antiguo conocido de la aurora se encuentra en una leyenda china escrita alrededor del 2600 a.C. En un otoño alrededor del año 2000 a. C., [81] según una leyenda, una joven llamada Fubao estaba sentada sola en el desierto junto a una bahía, cuando de repente una "banda mágica de luz" apareció como "nubes en movimiento y agua que fluye", girando en un halo brillante alrededor de la Osa Mayor , que arrojaba en cascada un brillo plateado pálido, iluminando la tierra y haciendo que las formas y las sombras parecieran vivas. Conmovida por esta visión, Fubao quedó embarazada y dio a luz a un hijo, el emperador Xuanyuan , conocido legendariamente como el iniciador de la cultura china y el antepasado de todo el pueblo chino. [ cita necesaria ] En Shanhaijing , se describe una criatura llamada Shilong como un dragón rojo que brilla en el cielo nocturno con un cuerpo de mil millas de largo. En la antigüedad, los chinos no tenían una palabra fija para la aurora, por lo que se la nombraba según las diferentes formas de la aurora, como "Perro del Cielo" (天狗), "Estrella Espada/Cuchillo" (刀星), "Estandarte de Chiyou" (蚩尤旗), "Los ojos abiertos del cielo" (天开眼) y "Estrellas como la lluvia" (星陨如雨). [ cita necesaria ]
En el folclore japonés , los faisanes eran considerados mensajeros del cielo. Sin embargo, investigadores de la Universidad de Estudios Avanzados de Japón y el Instituto Nacional de Investigación Polar afirmaron en marzo de 2020 que las colas de faisán rojas vistas en el cielo nocturno de Japón en el año 620 d.C. podrían ser una aurora roja producida durante una tormenta magnética. [82]
En las tradiciones de los aborígenes australianos , la Aurora Australis se asocia comúnmente con el fuego. Por ejemplo, el pueblo Gunditjmara del oeste de Victoria llamaba a las auroras puae buae ('cenizas'), mientras que el pueblo Gunai del este de Victoria percibía las auroras como incendios forestales en el mundo de los espíritus. El pueblo Dieri del sur de Australia dice que una exhibición de auroras es kootchee , un espíritu maligno que crea un gran fuego. De manera similar, el pueblo Ngarrindjeri del sur de Australia se refiere a las auroras vistas sobre la Isla Canguro como fogatas de espíritus en la "Tierra de los Muertos". Pueblos aborígenes [ ¿cuáles? ] en el suroeste de Queensland creen que las auroras son los fuegos de los Oola Pikka , espíritus fantasmales que hablaban a la gente a través de las auroras. La ley sagrada prohibía a cualquier persona, excepto a los ancianos varones, observar o interpretar los mensajes de los antepasados que creían que se transmitían a través de una aurora. [83]
Entre el pueblo maorí de Nueva Zelanda , la aurora australis o Tahunui-a-rangi ("grandes antorchas en el cielo") eran encendidas por antepasados que navegaron hacia el sur hacia una "tierra de hielo" (o sus descendientes); [84] [85] Se decía que estas personas eran el grupo de expedición de Ui-te-Rangiora que había llegado al Océano Austral . [84] alrededor del siglo VII. [86]
En Escandinavia, la primera mención de norðrljós (la aurora boreal) se encuentra en la crónica noruega Konungs Skuggsjá del año 1230 d.C. El cronista ha oído hablar de este fenómeno a compatriotas que regresaban de Groenlandia , y da tres posibles explicaciones: que el océano estaba rodeado por grandes incendios; que las llamaradas solares podrían extenderse por todo el mundo hasta su lado nocturno; o que los glaciares podrían almacenar energía para que eventualmente se volvieran fluorescentes . [87]
Walter William Bryant escribió en su libro Kepler (1920) que Tycho Brahe "parece haber sido una especie de homeópata , ya que recomienda el azufre para curar enfermedades infecciosas 'provocadas por los vapores sulfurosos de la aurora boreal ' ". [88]
En 1778, Benjamin Franklin teorizó en su artículo Aurora Boreal, Suposiciones y Conjeturas para formar una Hipótesis para su Explicación de que una aurora era causada por una concentración de carga eléctrica en las regiones polares intensificada por la nieve y la humedad en el aire: [89] [90] [91]
¿No puede entonces la gran cantidad de electricidad traída a las regiones polares por las nubes, que allí se condensan, y caer en nieve, electricidad que entraría en la tierra, pero no podría penetrar el hielo? ¿No ojalá, digo (como una botella sobrecargada), atraviese esa atmósfera baja y corra en el vacío sobre el aire hacia el ecuador, divergiendo a medida que aumentan los grados de longitud, fuertemente visible donde es más denso y volviéndose menos visible a medida que aumenta? más diverge; ¿Hasta que encuentra un paso a la Tierra en climas más templados o se mezcla con el aire superior?
Las observaciones del movimiento rítmico de las agujas de las brújulas debido a la influencia de la aurora fueron confirmadas en la ciudad sueca de Uppsala por Anders Celsius y Olof Hiorter . En 1741, Hiorter pudo vincular grandes fluctuaciones magnéticas con una aurora que se observaba en lo alto. Esta evidencia ayudó a respaldar su teoría de que las "tormentas magnéticas" son responsables de tales fluctuaciones de la brújula. [92]
Una variedad de mitos nativos americanos rodean el espectáculo. El explorador europeo Samuel Hearne viajó con Chipewyan Dene en 1771 y registró sus opiniones sobre el ed-thin ('caribú'). Según Hearne, el pueblo Dene vio el parecido entre una aurora y las chispas que se producen cuando se acaricia la piel del caribú . Creían que las luces eran los espíritus de sus amigos fallecidos bailando en el cielo, y cuando brillaban intensamente significaba que sus amigos fallecidos estaban muy felices. [93]
Durante la noche posterior a la Batalla de Fredericksburg , se vio una aurora desde el campo de batalla. El ejército confederado tomó esto como una señal de que Dios estaba de su lado, ya que las luces rara vez se veían tan al sur. La pintura Aurora Boreal de Frederic Edwin Church se interpreta ampliamente como una representación del conflicto de la Guerra Civil estadounidense . [94]
Una fuente británica de mediados del siglo XIX dice que las auroras eran algo raro antes del siglo XVIII. [95] Cita a Halley diciendo que antes de la aurora de 1716, no se había registrado ningún fenómeno de este tipo durante más de 80 años, y ninguno de importancia desde 1574. Dice que no se registra ninguna aparición en las Transacciones de la Academia Francesa de Ciencias. entre 1666 y 1716; y esa aurora registrada en la Miscelánea de Berlín en 1797 fue considerada un evento muy raro. Se afirmó que uno observado en 1723 en Bolonia fue el primero visto allí. Celsius (1733) afirma que los residentes más antiguos de Uppsala consideraban que este fenómeno era una gran rareza antes de 1716. El período entre aproximadamente 1645 y 1715 corresponde al mínimo de Maunder en la actividad de las manchas solares.
En el poema satírico de Robert W. Service "La balada de la aurora boreal" (1908), un buscador del Yukón descubre que la aurora es el brillo de una mina de radio. Él presenta su reclamo y luego va a la ciudad en busca de inversores.
A principios del siglo XX, el científico noruego Kristian Birkeland sentó las bases [ coloquialismo ] para la comprensión actual del geomagnetismo y las auroras polares.
En la mitología sami , las auroras boreales son causadas por los difuntos que se desangraron cortándose y su sangre se derramó en el cielo. Muchos pueblos aborígenes del norte de Eurasia y América del Norte comparten creencias similares de que la aurora boreal es la sangre de los difuntos, y algunos creen que son causadas por la sangre de los guerreros muertos que rocían el cielo mientras juegan, montan a caballo o se divierten en algún Otra manera. [ cita necesaria ]
Tanto Júpiter como Saturno tienen campos magnéticos que son más fuertes que los de la Tierra (la intensidad del campo ecuatorial de Júpiter es de 4,3 gauss , en comparación con los 0,3 gauss de la Tierra), y ambos tienen extensos cinturones de radiación. Se han observado auroras en ambos planetas gaseosos, más claramente utilizando el Telescopio Espacial Hubble y las naves espaciales Cassini y Galileo , así como en Urano y Neptuno . [96]
Las auroras de Saturno parecen, como las de la Tierra, estar impulsadas por el viento solar. Sin embargo, las auroras de Júpiter son más complejas. El principal óvalo auroral de Júpiter está asociado con el plasma producido por la luna volcánica Io , y el transporte de este plasma dentro de la magnetosfera del planeta . Una fracción incierta de las auroras de Júpiter son impulsadas por el viento solar. Además, las lunas, especialmente Io, también son poderosas fuentes de auroras. Estos surgen de corrientes eléctricas a lo largo de líneas de campo ("corrientes alineadas con el campo"), generadas por un mecanismo de dinamo debido al movimiento relativo entre el planeta en rotación y la luna en movimiento. Ío, que tiene un vulcanismo activo y una ionosfera, es una fuente particularmente fuerte y sus corrientes también generan emisiones de radio, que se han estudiado desde 1955. Con el telescopio espacial Hubble se han observado auroras sobre Ío, Europa y Ganímedes.
También se han observado auroras en Venus y Marte . Venus no tiene campo magnético, por lo que las auroras venusianas aparecen como manchas brillantes y difusas de diferentes formas e intensidad, a veces distribuidas por todo el disco del planeta. [97] Una aurora venusina se origina cuando los electrones del viento solar chocan con la atmósfera del lado nocturno.
Una aurora fue detectada en Marte el 14 de agosto de 2004 por el instrumento SPICAM a bordo del Mars Express . La aurora se ubicó en Terra Cimmeria , en la región de 177° este, 52° sur. El tamaño total de la región de emisión era de unos 30 km de ancho y posiblemente de unos 8 km de alto. Al analizar un mapa de anomalías magnéticas de la corteza terrestre compilado con datos de Mars Global Surveyor , los científicos observaron que la región de las emisiones correspondía a un área donde se localiza el campo magnético más fuerte. Esta correlación indicó que el origen de la emisión de luz era un flujo de electrones que se movían a lo largo de las líneas magnéticas de la corteza y excitaban la atmósfera superior de Marte. [96] [98]
Entre 2014 y 2016, se observaron auroras cometarias en el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko mediante múltiples instrumentos a bordo de la nave espacial Rosetta . [99] [100] Las auroras se observaron en longitudes de onda ultravioleta lejanas. Las observaciones del coma revelaron emisiones atómicas de hidrógeno y oxígeno causadas por la fotodisociación (no fotoionización , como en las auroras terrestres) de moléculas de agua en el coma del cometa. [100] La interacción de los electrones acelerados del viento solar con las partículas de gas en el coma es responsable de la aurora. [100] Dado que el cometa 67P no tiene campo magnético, la aurora se distribuye de forma difusa alrededor del cometa. [100]
Se ha sugerido que los exoplanetas , como los Júpiter calientes , experimentan ionización en sus atmósferas superiores y generan una aurora modificada por el clima en sus turbulentas troposferas . [101] Sin embargo, actualmente no se ha detectado ninguna aurora de exoplaneta.
Las primeras auroras extrasolares se descubrieron en julio de 2015 sobre la estrella enana marrón LSR J1835+3259 . [102] Se descubrió que la aurora principalmente roja era un millón de veces más brillante que la aurora boreal, como resultado de la interacción de las partículas cargadas con el hidrógeno en la atmósfera. Se ha especulado que los vientos estelares pueden estar arrancando material de la superficie de la enana marrón para producir sus propios electrones. Otra posible explicación para las auroras es que un cuerpo aún no detectado alrededor de la estrella enana esté desprendiendo material, como es el caso de Júpiter y su luna Ío. [103]
Kepler. Compañía Macmillan (1920) pág.23.
