Una aurora [a] ( pl. aurorae o auroras ), [b] también conocida comúnmente como luces del norte ( aurora borealis ) o luces del sur ( aurora australis ), [c] es un espectáculo de luz natural en el cielo de la Tierra , que se ve predominantemente en regiones de alta latitud (alrededor del Ártico y la Antártida ). Las auroras muestran patrones dinámicos de luces brillantes que aparecen como cortinas, rayos, espirales o destellos dinámicos que cubren todo el cielo. [3]
Las auroras son el resultado de perturbaciones en la magnetosfera de la Tierra causadas por el viento solar . Las perturbaciones más importantes son resultado de aumentos en la velocidad del viento solar a partir de agujeros coronales y eyecciones de masa coronal . Estas perturbaciones alteran las trayectorias de partículas cargadas en el plasma magnetosférico . Estas partículas, principalmente electrones y protones , se precipitan en la atmósfera superior ( termosfera / exosfera ). La ionización y excitación resultante de los componentes atmosféricos emiten luz de diferente color y complejidad. La forma de la aurora, que ocurre 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 los cometas también albergan auroras.
El término aurora boreal fue acuñado por Galileo en 1619, a partir de la romana Aurora, diosa del amanecer , y el griego Boreas, dios del frío viento del norte . [4] [5]
La palabra aurora se 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 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 grecorromana .
Las auroras se observan con mayor frecuencia en la "zona auroral", [8] una banda de aproximadamente 6° (~660 km) de ancho en latitud centrada en 67° norte y sur. [9] La región que actualmente muestra una aurora se llama "óvalo auroral". El óvalo es desplazado por el viento solar, empujándolo unos 15° lejos del polo geomagnético (no el polo geográfico) en la dirección del mediodía y 23° lejos en la dirección de la medianoche. [9] La extensión máxima hacia el ecuador del óvalo está desplazada ligeramente desde la medianoche geográfica. Está centrada unos 3-5° hacia la noche del polo magnético, de modo que los arcos aurorales llegan más lejos hacia el ecuador cuando el polo magnético en cuestión está entre el observador y el Sol , lo que se llama medianoche magnética .
Las primeras evidencias de una conexión geomagnética provienen de las estadísticas de las observaciones de auroras. Elias Loomis (1860), [10] y posteriormente Hermann Fritz (1881) [11] y Sophus Tromholt (1881) [12] con más detalle, establecieron que la aurora aparecía principalmente en la zona auroral.
En latitudes septentrionales , el efecto se conoce como aurora boreal o luces del norte. La contraparte meridional, la aurora austral o luces del sur, tiene características casi idénticas a la aurora boreal y cambia simultáneamente con los cambios en la zona auroral septentrional. [13] La aurora austral es visible desde altas latitudes meridionales en la Antártida , el Cono Sur , Sudáfrica , Australasia y, en circunstancias excepcionales, tan al norte como Uruguay . [14] La aurora boreal es visible desde áreas alrededor del Ártico como Alaska , Canadá , Islandia , Groenlandia , las Islas Feroe , Escandinavia , Finlandia , Escocia y Rusia . Una tormenta geomagnética hace que los óvalos aurorales (norte y sur) se expandan, llevando la aurora a latitudes más bajas. En raras ocasiones, la aurora boreal puede verse tan al sur como el Mediterráneo y los estados del sur de los EE. UU., mientras que la aurora austral puede verse tan al norte como Nueva Caledonia y la región de Pilbara en Australia Occidental . Durante el Evento Carrington , la mayor tormenta geomagnética jamás observada, se vieron auroras incluso en los trópicos.
Las auroras que se observan dentro del óvalo auroral pueden estar directamente sobre nuestras cabezas. Desde más lejos, iluminan el horizonte polar con un resplandor verdoso o, a veces, rojo tenue, como si el Sol estuviera saliendo desde una dirección inusual. Las auroras también se producen hacia los polos de la zona auroral como parches difusos o arcos, [15] que pueden ser subvisibles.
Ocasionalmente, se observan auroras en latitudes por debajo de la zona auroral, cuando una tormenta geomagnética agranda temporalmente el óvalo auroral. Las tormentas geomagnéticas grandes son más comunes durante el pico del ciclo de manchas solares de 11 años o durante los tres años posteriores al pico. [16] [17] Un electrón se mueve en espiral (gira) alrededor de una línea de campo en un ángulo que está determinado por sus vectores de velocidad, paralelos y perpendiculares, respectivamente, al vector de campo geomagnético local B. Este ángulo se conoce como el "ángulo de inclinación" de la partícula. La distancia, o radio, del electrón desde la línea de campo en cualquier momento se conoce como su radio de Larmor. El ángulo de inclinación 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 ingresar a la atmósfera para colisionar con las moléculas más densas allí. Otras partículas que no se reflejan ingresan a la atmósfera y contribuyen al espectáculo auroral en un rango de altitudes. Se han observado otros tipos de auroras desde el espacio; por ejemplo, los "arcos polares" que se extienden hacia el Sol a través del casquete polar, la "aurora theta" relacionada, [18] y los "arcos del lado diurno" cerca del mediodía. Estos son relativamente infrecuentes y poco conocidos. Se producen otros efectos interesantes, como la aurora pulsante, la "aurora negra" y su compañera más rara, la "antiaurora negra", y los arcos rojos subvisuales. Además de todos estos, se observa un brillo débil (a menudo rojo oscuro) alrededor de las dos cúspides polares, las líneas de campo que separan las que se cierran a través de la Tierra de las que son arrastradas hacia la cola y se cierran a distancia.
Los primeros trabajos sobre la obtención de imágenes de las auroras fueron realizados en 1949 por la Universidad de Saskatchewan utilizando el radar SCR-270 . [19] Las altitudes en las que se producen las emisiones aurorales fueron reveladas por Carl Størmer y sus colegas, que utilizaron cámaras para triangular más de 12.000 auroras. [20] Descubrieron que la mayor parte de la luz se produce entre 90 y 150 km (56 y 93 mi) sobre el suelo, mientras que a veces se extiende a más de 1.000 km (620 mi).
Según Clark (2007), hay cinco formas principales que se pueden ver desde el suelo, de menos a más visibles: [21]
Brekke (1994) también describió algunas auroras como "cortinas". [23] La similitud con las cortinas se ve a menudo reforzada por los pliegues dentro de los arcos. Los arcos pueden fragmentarse o dividirse en características separadas, a veces rápidamente cambiantes, a menudo con rayos que pueden llenar todo el cielo. Estas también se conocen como auroras discretas , que a veces son lo suficientemente brillantes como para leer un periódico por la noche. [24]
Estas formas son compatibles con las auroras que se forman a partir del campo magnético de la Tierra. La apariencia de los arcos, rayos, cortinas y coronas está determinada por las formas de las partes luminosas de la atmósfera y la posición del observador . [25]
Las auroras cambian con el tiempo. Durante la noche comienzan con resplandores y progresan hacia las coronas, aunque pueden no alcanzarlas. Tienden a desvanecerse en el orden opuesto. [23] Hasta aproximadamente 1963, se pensaba que estos cambios se debían a la rotación de la Tierra bajo un patrón fijo con respecto al Sol. Más tarde, al comparar películas de auroras de todo el cielo de diferentes lugares (recolectadas durante el Año Geofísico Internacional ), se descubrió que a menudo experimentan cambios globales en un proceso llamado subtormenta auroral . Cambian en unos pocos minutos de arcos tranquilos a lo largo del óvalo auroral a exhibiciones activas a lo largo del lado oscuro y después de 1 a 3 horas cambian gradualmente de nuevo. [29] Los cambios en las auroras a lo largo del tiempo se visualizan comúnmente usando keogramas . [30]
En escalas de tiempo más cortas, las auroras pueden cambiar su apariencia e intensidad, a veces tan lentamente que es difícil notarlas, y otras veces rápidamente hasta la escala de subsegundos. [24] 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 generalmente está acompañada por alturas de emisión máxima decrecientes de aproximadamente 8 km para emisiones azules y verdes y velocidades del viento solar superiores a la media ( aproximadamente 500 km/s ). [31]
Además, la aurora y las corrientes asociadas producen una fuerte emisión de radio en torno a los 150 kHz conocida como radiación kilométrica auroral (AKR), descubierta en 1972. [32] La absorción ionosférica hace que la AKR sólo sea observable desde el espacio. También se han detectado emisiones de rayos X, originadas por las partículas asociadas a las auroras. [33]
El ruido de la aurora , 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. [34] [35]
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 "Strong Thermal Emission Velocity Enhancement" (fuerte aumento de la velocidad de emisión térmica). STEVE no es una aurora, sino que está causada por una cinta de plasma caliente de 25 km (16 mi) de ancho a una altitud de 450 km (280 mi), con una temperatura de 3000 °C (3270 K; 5430 °F) y que fluye a una velocidad de 6 km/s (3,7 mi/s) (en comparación con los 10 m/s (33 ft/s) fuera de la cinta). [36]
Los procesos que causan STEVE también están asociados con una aurora en valla, aunque esta última puede verse sin STEVE. [37] [38] Es una aurora porque es causada por la precipitación de electrones en la atmósfera, pero aparece fuera del óvalo auroral, [39] más cerca del ecuador que las auroras típicas. [40] Cuando la aurora en valla aparece con STEVE, está debajo. [38]
El fenómeno de la aurora de dunas, que se informó por primera vez en 2020 [41] [42] y se confirmó en 2021 [43] [44], fue descubierto [45] por científicos ciudadanos finlandeses . Consiste en franjas paralelas y regularmente espaciadas de emisión más brillante en la aurora difusa verde que dan la impresión de dunas de arena. [46] Se cree que el fenómeno es causado por la modulación de la densidad atómica del oxígeno por una onda atmosférica a 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 . [43]
Las auroras en collar de caballo (HCA, por sus siglas en inglés) son fenómenos aurorales en los 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 los períodos en los que el campo magnético interplanetario (IMF, por sus siglas en inglés) está permanentemente hacia el norte, cuando el ángulo de reloj del IMF es pequeño. Su formación está asociada con el cierre del flujo magnético en la parte superior de la magnetosfera del lado diurno por la reconexión de doble lóbulo (DLR, por sus siglas en inglés). Hay aproximadamente 8 eventos HCA por mes, sin dependencia estacional, y el IMF debe estar dentro de los 30 grados hacia el norte. [47]
Las auroras conjugadas son auroras que se observan en imágenes especulares casi exactas en puntos conjugados de los hemisferios norte y sur sobre las mismas líneas de campo geomagnético. Por lo general, 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 intentó obtener imágenes de auroras conjugadas desde aviones desde Alaska y Nueva Zelanda en 1967, 1968, 1970 y 1971, con cierto éxito. [48]
Aún no se ha logrado comprender completamente los procesos físicos que dan lugar a los diferentes tipos de auroras, pero la causa básica es 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, es evidente 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 atrapadas magnéticamente temporalmente y confinadas por el campo geomagnético, junto con los procesos de aceleración de partículas. [49]
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 de un cohete desde Fort Churchill en Canadá reveló un flujo de electrones que ingresaban a la atmósfera desde arriba. [50] Desde entonces, muchos equipos de investigación han adquirido una extensa colección de mediciones con mucho trabajo y una resolución cada vez mejor desde la década de 1960 utilizando cohetes y satélites para atravesar la zona auroral. Los hallazgos principales 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 caída en la atmósfera. [51] 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, que son los principales responsables de las auroras difusas y pulsantes, tienen, en cambio, una distribución de energía que cae suavemente y una distribución angular (de 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. [52] Los protones también están asociados con las auroras, tanto discretas como difusas.
Las auroras son el resultado de emisiones de fotones en la atmósfera superior de la Tierra , por encima de los 80 km (50 mi), de átomos de nitrógeno ionizado que recuperan un electrón, y átomos de oxígeno y moléculas basadas en nitrógeno que regresan de un estado excitado al estado fundamental . [53] Se ionizan o excitan por la colisión de partículas precipitadas en la atmósfera. Pueden estar involucrados tanto los electrones como los protones entrantes. La energía de excitación se pierde dentro de la atmósfera por la emisión de un fotón o por la colisión con otro átomo o molécula:
El oxígeno es inusual en términos de su retorno 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 densidades de partículas más bajas, tales colisiones son lo suficientemente raras como para permitir que el oxígeno emita luz roja. Las colisiones se vuelven más frecuentes a medida que avanza hacia la atmósfera debido al aumento de la densidad, de modo que las emisiones rojas no tienen tiempo de ocurrir y, finalmente, incluso se evitan las emisiones de luz verde.
Por eso existe una diferencia de color con la altitud: a gran altitud predomina el rojo del oxígeno, luego el verde del oxígeno y el azul/violeta/rojo del nitrógeno, y finalmente el azul/violeta/rojo del nitrógeno 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 captar electrones de la atmósfera. Las auroras de protones suelen observarse en latitudes más bajas. [54]
Las auroras brillantes se asocian generalmente con corrientes de Birkeland (Schield et al., 1969; [55] Zmuda y Armstrong, 1973 [56] ), que fluyen hacia abajo en la ionosfera en un lado del polo y hacia afuera en el otro. Entre medias, parte de la corriente se conecta directamente a través de la capa E de la ionosfera (125 km); el resto ("región 2") se desvía, saliendo de nuevo a través de líneas de campo más cercanas al ecuador y cerrando 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 de activación, que un mecanismo de dinamo, aún no especificado, puede suministrar. 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 tormentas magnéticas intensas. En otra interpretación, las corrientes son el resultado directo de la aceleración de los electrones hacia la atmósfera por interacciones onda/partícula.
La resistencia ionosférica tiene una naturaleza compleja y conduce a un flujo de corriente Hall secundaria . Por un extraño giro de la física, la perturbación magnética en el suelo debido a la corriente principal casi se cancela, 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 regularmente de los datos terrestres y sirve como una medida general de la actividad auroral. Kristian Birkeland [57] dedujo que las corrientes fluían en las direcciones este-oeste a lo largo del arco auroral, y tales corrientes, que fluyen desde el lado diurno hacia (aproximadamente) la medianoche, se denominaron más tarde "electrochorros aurorales" (ver también corrientes de Birkeland ). La ionosfera puede contribuir a la formación de arcos aurorales a través de la inestabilidad de retroalimentación bajo condiciones de alta resistencia ionosférica, observada durante la noche y en el hemisferio oscuro de invierno. [58]
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 típicamente alrededor de 400 km/s, una densidad de alrededor de 5 iones/cm 3 y una intensidad de campo magnético de alrededor de 2-5 nT (a modo de comparación, el campo de la superficie de la Tierra es típicamente de 30.000-50.000 nT). Durante las tormentas magnéticas , en particular, los flujos pueden ser varias veces más rápidos; el campo magnético interplanetario (IMF) 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. [59] 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 que el conductor corta transversalmente (o es cortado por ), en lugar de a lo largo de , 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. Los dinamos hacen uso de este proceso básico ("el efecto dinamo "), todos y cada uno de los conductores, sólidos o no, se ven afectados por él, 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 alinearlas en la dirección Sol-Tierra, pero la rotación del Sol las inclina con respecto a 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 las que están cerca del borde occidental ("limbo") del Sol visible en cualquier momento. [60]
El viento solar y la magnetosfera, al ser dos fluidos conductores de electricidad en movimiento relativo, deberían ser capaces en principio de generar corrientes eléctricas por acción de dinamo y transmitir energía a partir del flujo del viento solar. Sin embargo, este proceso se ve obstaculizado por el hecho de que los plasmas conducen fácilmente a lo largo de las líneas de campo magnético, pero menos fácilmente en dirección perpendicular a ellas. La energía se transfiere de manera más efectiva mediante la conexión magnética temporal entre las líneas de campo del viento solar y las de la magnetosfera. No es de extrañar que este proceso se conozca como reconexión magnética . Como ya se mencionó, 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. [61]
La magnetosfera de la Tierra está determinada por el impacto del viento solar sobre el campo magnético de la Tierra. Esto forma un obstáculo para el flujo, desviándolo, a una distancia media de unos 70.000 km (11 radios terrestres o Re), [62] produciendo una onda de choque de 12.000 km a 15.000 km (1,9 a 2,4 Re) más arriba. El ancho de la magnetosfera a la altura de la Tierra es normalmente 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 latitudes altas se llena de plasma a medida que el viento solar pasa por la Tierra. El flujo de plasma hacia la magnetosfera aumenta con la turbulencia, la densidad y la velocidad adicionales del viento solar. Este flujo se ve favorecido por un componente hacia el sur del FMI, que puede entonces conectarse directamente con las líneas del campo geomagnético de latitudes altas. [63] 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 perpendicularmente al campo magnético de la Tierra, parte del plasma magnetosférico viaja a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra, gana energía adicional y la pierde en 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 evento desencadenante del inicio de las subtormentas magnetosféricas . [64] Dos de las cinco sondas, ubicadas aproximadamente a un tercio de la distancia a la Luna, midieron eventos que sugerían un evento de reconexión magnética 96 segundos antes de la intensificación auroral. [65]
Las tormentas geomagnéticas que encienden auroras pueden ocurrir con mayor frecuencia durante los meses alrededor de los equinoccios . No se entiende bien, pero las tormentas geomagnéticas pueden variar con las estaciones de la Tierra. Dos factores a considerar son la inclinación tanto del eje solar como del de la Tierra con respecto al plano de la eclíptica. A medida que la Tierra orbita a lo largo de un año, experimenta un campo magnético interplanetario (CMI) desde diferentes latitudes del Sol, que está inclinado a 8 grados. De manera similar, la inclinación de 23 grados del eje de la Tierra sobre el cual gira el polo geomagnético con una variación diurna cambia el ángulo promedio diario que el campo geomagnético presenta con el CMI incidente a lo largo de un año. Estos factores combinados pueden conducir a cambios cíclicos menores en la forma detallada en que el CMI 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, por lo tanto, mejorar las auroras. Evidencias recientes en 2021 han demostrado que subtormentas individuales separadas pueden de hecho ser comunidades en red correlacionadas. [66]
Así como existen muchos tipos de auroras, existen muchos mecanismos diferentes que aceleran las partículas aurorales hacia la atmósfera. Las auroras de electrones en la zona auroral de la Tierra (es decir, las auroras comúnmente visibles) se pueden dividir en dos categorías principales con diferentes causas inmediatas: auroras difusas y discretas. Las auroras difusas parecen relativamente desestructuradas para un observador en tierra, con bordes indistintos y formas amorfas. Las auroras discretas están estructuradas en características distintivas con bordes bien definidos, como arcos, rayos y coronas; también tienden a ser mucho más brillantes que las auroras difusas.
En ambos casos, los electrones que finalmente causan la aurora comienzan como electrones atrapados por el campo magnético en la magnetosfera de la Tierra . Estas partículas atrapadas rebotan de un lado a otro a lo largo de las líneas del campo magnético y el espejo magnético formado por la creciente fuerza del campo magnético más cerca de la Tierra evita que golpeen la atmósfera . La capacidad del espejo magnético para atrapar una partícula depende del ángulo de inclinación de la partícula : el ángulo entre su dirección de movimiento y el campo magnético local. Una aurora se crea por procesos que disminuyen el ángulo de inclinación de muchos electrones individuales, liberándolos de la trampa magnética y haciendo que golpeen la atmósfera.
En el caso de las auroras difusas, los ángulos de paso de los electrones se alteran por su interacción con varias ondas de plasma . Cada interacción es esencialmente una 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 chocará con la atmósfera. Las auroras difusas son causadas por el efecto colectivo de muchos de estos electrones dispersos que chocan con 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 lleva a 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 unos 4000–12000 km en la "región de aceleración auroral". Los campos eléctricos apuntan lejos de la Tierra (es decir, hacia arriba) a lo largo de la línea del campo magnético. [67] 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 inclinación de todos los electrones que pasan por la región, lo que hace que muchos de ellos golpeen la atmósfera superior. En contraste con el proceso de dispersión que conduce a las auroras difusas, el campo eléctrico aumenta la energía cinética de todos los electrones que transitan hacia abajo a través de la región de aceleración en la misma cantidad. Esto acelera los electrones que comienzan desde la magnetosfera con energías inicialmente bajas (decenas de eV o menos) a energías necesarias para crear una aurora (centenas de eV o más), lo que permite que esa gran fuente de partículas contribuya a crear luz auroral.
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 eventualmente 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 es todavía un área activa de investigación. [68] Si bien la energía para alimentar 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 de 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 Alfvén dispersivas . En pequeñas longitudes de onda transversales al campo magnético de fondo (comparables a la longitud inercial del electrón o al radio de giro del ión ), las ondas Alfvén desarrollan un campo eléctrico significativo paralelo al campo magnético de fondo. Este campo eléctrico puede acelerar los electrones a energías de keV , significativas para producir arcos aurorales. [69] 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. [70] [71] Este campo eléctrico de onda 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 espectro de energía amplio, 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 de protones 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 ser vista a simple vista. Otras auroras no cubiertas por la discusión anterior incluyen arcos transpolares (formados hacia los polos de la zona auroral), auroras de 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 representa auroras sobre la antigua capital japonesa de Kioto sugirió que la tormenta puede haber sido un 7% más grande que el evento de Carrington , que afectó a las redes telegráficas. [72] [73]
Se cree que las auroras que se produjeron a raíz del fenómeno de Carrington, tanto el 28 de agosto como el 2 de septiembre de 1859, son las más espectaculares de la historia reciente. En un artículo para la Royal Society del 21 de noviembre de 1861, Balfour Stewart describió ambos fenómenos aurorales tal como fueron documentados por un magnetógrafo de grabación automática en el Observatorio Kew y estableció la conexión entre la tormenta auroral del 2 de septiembre de 1859 y el fenómeno de la llamarada Carrington -Hodgson cuando observó que "no es imposible suponer que en este caso nuestra luminaria fue capturada en el acto ". [74] El segundo evento auroral, que ocurrió el 2 de septiembre de 1859, fue resultado de la eyección de masa coronal (invisible) asociada con la llamarada 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 vistas y reportadas en mediciones científicas publicadas, registros de barcos y periódicos en todo Estados Unidos, Europa, Japón y Australia. The New York Times informó que en Boston el viernes 2 de septiembre de 1859 la aurora fue "tan brillante que alrededor de la una en punto se podía leer la letra impresa normal a la luz". [75] La una en punto EST del viernes 2 de septiembre habría sido las 6:00 GMT; el magnetógrafo de registro automático en el Observatorio Kew estaba registrando la tormenta geomagnética , que entonces tenía una hora de antigüedad, 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 del evento auroral. [10]
Se cree que esta aurora fue producida por una de las eyecciones de masa coronal más intensas de la historia. También es notable por el hecho de que es la primera vez que los fenómenos de la actividad auroral y la electricidad se vinculan de forma inequívoca. Esta idea fue posible no solo gracias a las mediciones científicas con magnetómetros de la época, sino también como resultado de que una parte significativa de las 125.000 millas (201.000 km) de líneas telegráficas que estaban en servicio en ese momento se interrumpieron significativamente durante muchas horas durante la tormenta. Sin embargo, algunas líneas telegráficas parecen haber tenido la longitud y la orientación adecuadas para producir una corriente inducida geomagnéticamente suficiente a partir del campo electromagnético para permitir una comunicación continua con las fuentes de alimentación del operador del telégrafo apagadas. [76] La siguiente conversación tuvo lugar entre dos operadores de la American Telegraph Line entre Boston y Portland, Maine , en la noche del 2 de septiembre de 1859 y se informó en el Boston Traveller :
Operador de Boston (al operador de Portland): "Por favor, desconecte la batería [fuente de energía] por completo durante quince minutos".
Operador de Portland: "Lo haré. Ahora está desconectada".
Boston: "La mía está desconectada y estamos trabajando con la corriente auroral. ¿Cómo recibe mis escritos?"
Portland: "Mejor que con las baterías encendidas. La corriente va y viene gradualmente".
Boston: "A veces mi corriente es muy fuerte y podemos trabajar mejor sin las baterías, ya que la aurora parece neutralizar y aumentar nuestras baterías alternativamente, haciendo que la corriente sea demasiado fuerte a veces para nuestros imanes de relé. Supongamos que trabajamos sin baterías mientras estamos afectados por este problema".
Portland: "Muy bien. ¿Sigo adelante con el negocio?"
Boston: "Sí. Adelante".
La conversación se prolongó durante unas dos horas sin utilizar ninguna batería y funcionando únicamente con la corriente inducida por la aurora, y se dijo que era la primera vez registrada que se transmitía más de una o dos palabras de esa manera. [75] Tales acontecimientos llevaron a la conclusión general de que
El efecto de la aurora sobre el telégrafo eléctrico es generalmente aumentar o disminuir la corriente eléctrica generada al hacer funcionar los cables. A veces los neutraliza por completo, de modo que, en efecto, no se descubre ningún fluido [corriente] en ellos. La aurora boreal parece estar compuesta de una masa de materia eléctrica, similar en todo sentido a la generada por la batería galvánica eléctrica. Las corrientes que emanan de ella cambian al pasar por los cables y luego desaparecen: la masa de la aurora se desplaza desde el horizonte hasta el cenit. [77]
En mayo de 2024, una serie de tormentas solares hicieron que se observaran auroras boreales desde tan al sur como Ferdows , Irán . [78] [79] [80]
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. [81] Una aurora fue descrita por el explorador griego Piteas en el siglo IV a. C. [82] Séneca escribió sobre las auroras en el primer libro de sus Naturales Quaestiones , clasificándolas, por ejemplo, como pithaei ('con forma de barril'); chasmata ('abismo'); pogoniae ('barbudas'); cyparissae ('como cipreses '); y describiendo sus múltiples colores. Escribió sobre si estaban por encima o por debajo de las nubes , y recordó que bajo Tiberio , una aurora se formó sobre la ciudad portuaria de Ostia que era tan intensa y roja que una cohorte del ejército, estacionada cerca para el servicio de fuego, galopó al rescate. [83] Se ha sugerido que Plinio el Viejo representó la aurora boreal en su Historia natural , cuando se refiere a trabes , chasma , "llamas rojas que caen" y "luz del día en la noche". [84]
La representación más antigua de la aurora puede haber aparecido en pinturas rupestres de Cro-Magnon en el norte de España que datan del año 30.000 a. C. [85]
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 2000 a. C., [86] según una leyenda, una joven llamada Fubao estaba sentada sola en el desierto junto a una bahía, cuando de repente apareció una "banda mágica de luz" como "nubes en movimiento y agua fluyendo", convirtiéndose 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 requerida ] En el Shanhaijing , se describe a 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), "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 del Instituto Nacional de Investigación Polar afirmaron en marzo de 2020 que las colas rojas de faisán observadas en el cielo nocturno de Japón en el año 620 d. C. podrían ser una aurora roja producida durante una tormenta magnética. [87]
En las tradiciones de los aborígenes australianos , la aurora austral 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 espiritual. 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 las fogatas de los espíritus en la 'Tierra de los Muertos'. Los 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. [88]
Entre el pueblo maorí de Nueva Zelanda , las auroras australes o Tahunui-a-rangi ("grandes antorchas en el cielo") eran encendidas por los antepasados que navegaron hacia el sur hacia una "tierra de hielo" (o sus descendientes); [89] [90] Se decía que estas personas eran el grupo de expedición de Ui-te-Rangiora que había llegado al Océano Austral . [89] alrededor del siglo VII. [91]
En Escandinavia, la primera mención de norðrljós (las luces del norte) se encuentra en la crónica noruega Konungs Skuggsjá del año 1230 d. C. El cronista ha oído hablar de este fenómeno a través de compatriotas que regresaban de Groenlandia , y da tres posibles explicaciones: que el océano estaba rodeado de grandes incendios; que las llamaradas solares podían llegar a rodear el mundo hasta su lado nocturno; o que los glaciares podían almacenar energía de modo que eventualmente se volvían fluorescentes . [92]
Walter William Bryant escribió en su libro Kepler (1920) que Tycho Brahe "parece haber sido algo así como un homeópata , ya que recomienda el azufre para curar enfermedades infecciosas 'provocadas por los vapores sulfurosos de la Aurora Boreal ' ". [93]
En 1778, Benjamin Franklin teorizó en su artículo Aurora Borealis, suposiciones y conjeturas para formular una hipótesis para su explicación 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: [94] [95] [96]
¿No puede entonces la gran cantidad de electricidad traída a las regiones polares por las nubes, que se condensan allí y caen en forma de nieve, esa electricidad entraría en la tierra, pero no puede penetrar el hielo; no puede, digo (como una botella sobrecargada) atravesar esa baja atmósfera y correr en el vacío sobre el aire hacia el ecuador, divergiendo a medida que los grados de longitud aumentan, fuertemente visible donde es más densa, y volviéndose menos visible a medida que más diverge; hasta que encuentre un paso a la tierra en climas más templados, o se mezcle con el aire superior?
Las observaciones del movimiento rítmico de las agujas de las brújulas debido a la influencia de una aurora fueron confirmadas en la ciudad sueca de Uppsala por Anders Celsius y Olof Hiorter . En 1741, Hiorter pudo vincular una gran fluctuación magnética con la observación de una aurora en lo alto. Esta evidencia ayudó a apoyar su teoría de que las "tormentas magnéticas" son responsables de tales fluctuaciones de la brújula. [97]
Una variedad de mitos nativos americanos rodean el espectáculo. El explorador europeo Samuel Hearne viajó con Chipewyan Dene en 1771 y registró sus puntos de vista sobre el ed-thin ('caribú'). Según Hearne, el pueblo dene vio la semejanza entre una aurora y las chispas que se producen cuando se acaricia el pelaje 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. [98]
Durante la noche posterior a la batalla de Fredericksburg , se vio una aurora boreal 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 . [99]
Una fuente británica de mediados del siglo XIX dice que las auroras eran un fenómeno poco frecuente antes del siglo XVIII. [100] Cita a Halley diciendo que antes de la aurora de 1716, no se había registrado ningún fenómeno de ese 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 que una aurora registrada en la Miscelánea de Berlín para 1797 fue calificada de evento muy raro. Una observada en 1723 en Bolonia fue declarada como la primera que se vio allí. Celsius (1733) afirma que los residentes más antiguos de Uppsala pensaban que el 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 las luces del norte" (1908), un buscador de oro de Yukón descubre que la aurora boreal es el resplandor de una mina de radio . Afirma su posición y luego se dirige 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 muertos que se desangran hasta morir cortándose y derramando su sangre en el cielo. Muchos pueblos aborígenes del norte de Eurasia y América del Norte comparten creencias similares sobre las auroras boreales como la sangre de los muertos; algunos creen que son causadas por la sangre de los guerreros muertos que se esparce en el cielo mientras juegan, montan a caballo o se divierten de alguna otra manera. [ cita requerida ]
Tanto Júpiter como Saturno tienen campos magnéticos más fuertes que el 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 . [101]
Las auroras de Saturno parecen, al igual que las de la Tierra, estar alimentadas por el viento solar. Sin embargo, las auroras de Júpiter son más complejas. El óvalo auroral principal de Júpiter está asociado con el plasma producido por la luna volcánica Ío y el transporte de este plasma dentro de la magnetosfera del planeta . Una fracción incierta de las auroras de Júpiter están alimentadas por el viento solar. Además, las lunas, especialmente Ío, también son fuentes potentes de auroras. Estas 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 vulcanismo activo y una ionosfera, es una fuente particularmente fuerte, y sus corrientes también generan emisiones de radio, que se han estudiado desde 1955. Utilizando 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 y, por lo tanto, las auroras venusianas aparecen como manchas brillantes y difusas de forma e intensidad variables, a veces distribuidas por todo el disco del planeta. [102] Una aurora venusiana se origina cuando los electrones del viento solar chocan con la atmósfera del lado nocturno.
El 14 de agosto de 2004, el instrumento SPICAM a bordo de la sonda Mars Express detectó una aurora en Marte . La aurora se localizó 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 compilado con datos de la 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 movía a lo largo de las líneas magnéticas de la corteza y excitaba la atmósfera superior de Marte. [101] [103]
Entre 2014 y 2016, se observaron auroras cometarias en el cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko mediante múltiples instrumentos a bordo de la nave espacial Rosetta . [104] [105] Las auroras se observaron en longitudes de onda del ultravioleta lejano . Las observaciones de la coma revelaron emisiones atómicas de hidrógeno y oxígeno causadas por la fotodisociación (no la fotoionización , como en las auroras terrestres) de las moléculas de agua en la coma del cometa. [105] La interacción de los electrones acelerados del viento solar con las partículas de gas en la coma es responsable de la aurora. [105] Dado que el cometa 67P no tiene campo magnético, la aurora se extiende de forma difusa alrededor del cometa. [105]
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 troposferas turbulentas . [106] Sin embargo, no hay detección actual de una aurora en exoplanetas.
Las primeras auroras extrasolares se descubrieron en julio de 2015 sobre la estrella enana marrón LSR J1835+3259 . [107] Se descubrió que la aurora, principalmente roja, era un millón de veces más brillante que las luces del norte, 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 de las auroras es que un cuerpo aún no detectado alrededor de la estrella enana esté arrojando material, como es el caso de Júpiter y su luna Ío. [108]
Kepler. Compañía Macmillan (1920) pág. 23.
