Aurora

Site:	WMO Education and Training Programme
Course:	CALMet XIV 2021
Book:	Aurora

Printed by:	Guest user
Date:	Monday, 22 July 2024, 4:24 PM

1. ¿Qué las causa?

nordlyset.mp4

Las auroras tiene su origen en el Sol. Durante grandes explosiones y llamaradas, enormes cantidades de partículas solares son expulsadas del Sol hacia el interior del espacio. Estas nubes de plasma viajan a través del espacio con velocidades que varían entre 300 y 1000 kilómetros por segundo.

Pero incluso con estas velocidades (más de un millón de kilómetros por hora), estas nubes de plasma demoran entre dos y tres días en alcanzar nuestro planeta. Cuando se estan acercando a la Tierra, son capturadas por el campo magnético de la Tierra (la magnetosfera) y guiadas hacia los dos polos magnéticos de la Tierra; el polo geomagnético sur y el polo geomagnético norte.

"Las Auroras ocurren como el resultado de la colisión de partículas solares con los gases de la atmósfera terrestre"

En su camino hacia los polos magnéticos, las partículas solares son detenidas por la atmósfera terrestre, que actúa como un escudo muy efectivo contra estas partículas mortales.

Cuando las partículas solares son detenidas por la atmósfera, colisionan con los gases presentes en la atmósfera, y la energía de colisión entre las partículas solares y las moleculas de los gases es emitida como un fotón - una partícula de luz. Cuando se tienen muchas de estas colisiones se obtiene una Aurora - luces que parece que se mueven a través del cielo.

Para que un observador pueda realmente ver una aurora a ojo descubierto, se requieren alrededor de 100 millones de fotones

Las auroras que se observan en el hemisferio Norte se conocen como Aurora Boreal o Luces del Norte, mientras que las que se producen en el hemisferio sur son llamadas Aurora Australis o Luces del Sur.

1.1. Expulsión de Masa de la Corona

La expulsión de la masa de la corona (en ingles, Coronal Mass Ejection (CME)) es otra expresión para las explosiones gigantes y las llamaradas que occurren en nuestro Sol. A continuación podra ver un video sobre estas expulsiones

(Cortesia del ESA/NASA SOHO-project).

1.2. Las Luces del Norte

Las Luces del Norte son el resultado del resguardo de la atmósfera contra las partículas solares que de otra forma harían nuestro planeta inhabitable. A continuación un video de una aurora realizado con 30.000 imágenes HD tomadas en Noruega el 12- Julio - 2012 (TSO Photography).

1.3. Plasma

Plasma es el cuarto estado de la materia. Dependiendo de la temperatura (energía) cualquier materia puede existir como:

- Sólido (ej hielo).
- Líquido (ej agua).
- Gas (ej vapor de agua).
- Plasma (la temperatura es tan alta que las moléculas son desunidas y cargadas electricamente).

2. El Sol

Fuente de vida y auroras

El Sol, un globo de gas ardiente, ha provisto a nuestro planeta de luz dadora de vida y calor por aproximadamente cinco billones de años.

La energía del Sol se origina en su interior, donde la temperatura excede los 15 millones de grados Kelvin (K), y la presión es 250 billones de veces más grande la presión en superficie en la Tierra. Aquí el tremendo calor transforma hidrógeno, el elemento más liviano conocido del universo, en helio. La superficie del Sol tiene una temperatura de aproximadamente 5800 K.

Máximo Solar

La actividad solar varía en períodos de aproximadamente 11 años. Cuándo en número de manchas solares es máximo, tenemos lo que se conoce como un máximo solar, y de la misma forma un mínimo solar es cuando la actividad de manchas solares es baja. A mayor número de manchas solares, mayor es el número de partículas solares expulsadas hacia el espacio y por lo tanto más auroras ocurren sobre la Tierra. El último máximo solar fue en 2001-2002, y se esperaba que el próximo fuese alrededor de 2012 y luego en el 2013, sin embargo se produjo en el 2014.

Manchas Solares

Las manchas solares son parches creados por fuertes campos magnéticos sobre la superficie del Sol. Debido a que estas áreas son un tanto más frías en comparación con su entorno (aproximadamente 1000 grados más frías), aparecen más oscuras. Las Manchas Solares son una indicación visible del proceso que envía partículas cargadas hacia el espacio.Estas partículas pueden ser capturadas por el campo magnético terrestre y crear la aurora.

Viento Solar

Un gas de electrones y iones - a velocidad supersónica - es continuamente emitido desde el Sol. Este flujo de gas es denominado viento solar.
El viento solar esta lleno de ráfagas y ventarrones, y cuando una fuerte erupción desde el Sol llega a la tierra, la situación estable - que pudo haber existido por varios días - es fuertemente perturbada. El resultado más espectacular de esta interacción es una intensa aurora significativamente más cerca del ecuator que durante condiciones normales, como se puede apreciar en el video.

3. El óvalo de la Aurora

Las zonas de auroras representan los lugares en la tierra donde las auroras ocurren más frecuentemente y con mayor intensidad. Fue el físico Suizo Herman Fritz (1829-1902), en el libro "Das Polarlicht" editado en 1881 quien por primera vez mostró que las Luces del Norte tiene una zona de máximo cerca de los 67º N. Llamó a este cinturón la zona de auroras. Luego, las zonas de auroras comprenden las distribuciones estadísticas en latitud de todas las auroras nocturnas visibles. La ubicación más detallada de las zonas de auroras esta basada en la extensa observación de auroras realizada por el profesor Størmer entre 1910 y 1950.

**"Vistas desde el espacio, las Luces del Norte y del Sur aparecen como un círculo de forma oval con el polo magnético en el centro"**

La momentánea, distribución instantánea de las auroras como una función tanto de la latitud y de la hora local fueron puestas en un mapa usando mediciones terrestres, de cohete y satelitales en los años 60. La mejor vista fue obtenida a través de imágenes satelitales de la Tierra. Luego se descubrió que las auroras despliegan una zona oval continua alrededor del polo magnético en ambos hemisferios.Por lo tanto el Óvalo de la Aurora es la región de la Tierra donde las auroras son vistas con mayor frecuencia y con mayor intensidad.

El óvalo de la Aurora es casi dos veces el ancho y esta a casi dos veces la distancia del polo magnético a la medianoche como al mediodía, aproximadamente 23 grados y 12 grados, respectivamente. Del lado de noche el óvalo está aproximadamente 10 grados (alrededor de 1100 kilómetros) más cerca del ecuador que del lado de día.

El óvalo de la Aurora puede ser considerado fijo en el espacio con referencia al Sol. A medida que la Tierra revoluciona se producen las variaciones diarias en la posición de la aurora . En el sector Escandinavo se observa que el Andøya Rocket Range está ubicado debajo del ovalo durante la noche, mientras que durante el día el óvalo atraviesa Svalbard. A mitad de caminto entre el norte de Noruega y Svalbard, las Luces del Norte pueden ser observadas en el zenith tanto a la mañana (aproximadamente 6:00 h) como por la tarde (alrededor de 18:00h). Tanto Andøya Rocket Range como Svalbard son sitios de lanzamiento de cohetes del Gobierno Noruego para el estudio del campo magnético terrestre.

Estudios modernos han mostrado claramente que las formas y posición de los óvalos varian grandemente con la actividad solar. Con mayor actividad en el Sol, el óvalo se ensancha y se expande, principalmente hacia el ecuador.

3.1. Los Ovalos en cada hemisferio

A continuación podrá ver dos película que muestran los óvalos de las Luces del Norte y del Sur

Cortesía de NASA

Cortesía de Space Weather

3.2. ¿Dónde estan las luces del norte?

Bajo condiciones normales el óvalo de la aurora cubre las siguientes áreas del hemisferio norte:

- Parte norte de los países Nórdicos, incluyendo toda Groenlandia y Svalbard.

- Parte norte de Alaska, USA.

- Parte norte y central de Canadá.

- Parte norte de Rusia.

El óvalo de la Aurora ahora

Las Luces del Norte y del Sur son monitoreadas en forma contínua y además, existen modelos que realizan un pronostico cada 30 minutos determinando la probabilidad de ocurrencia de Auroras para cada hemisferio

http://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast

A continuación te invitamos a que realices una actividad sobre el pronostico de Auroras

En esta actividad te invitamos a que ingreses a la pagina web

http://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast

y que hagas un pequeño informe especificando

i) ¿Cuales son las regiones más probables donde se podrán ver las auroras tanto de noche como de día en el hemisferio Norte?

ii) ¿Cómo se modifican estas probabilidades de ocurrencia en la Península Antártica desde que comienza hasta que termina el video?

4. Frecuencia de ocurrencia

Dentro de la zona de auroras, la aurora puede ser vista cada noche clara de invierno. Hay otras variaciones regulares:

La aurora es más frecuente e intensa entre las 22:00h y la medianoche, hora magnética.
Las auroras brillantes ocurren frecuentemente en intervalos de 27 días ya que áreas activas sobre la superficie del Sol miran hacia la Tierra durante el ciclo de rotación de 27 días.
Las Luces del Norte son más frecuentes a finales del otoños y comienzos de la primavera. Octubre, Febrero y Marzo son los mejores meses para observar las auroras en el norte de Noruega.
La actividad de las Luces del Norte se corresponde en forma cercana con la actividad solar, que sigue un ciclo de 11 años, pero aparentemente hay un año de retardo entre el máximo de manchas solares y el máximo de ocurrencia de auroras.
La actividad de las Luces del Norte es 20-30% inferior durante el mínimo solar con respecto al máximo solar.

Las Luces del Norte son observadas en países de zonas mediterráneas sólo cuando la actividad solar es extremadamente alta, quizas pasan decenas de años entre una observación y otra. En promedio ocurren una vez cada 100 años

4.1. Frecuencias en algunos lugares

Las Luces del Norte pueden ser observadas con esta frecuencia en los siguientes lugares durante el máximo solar:

Andenes, Noruega
Casi cada noche oscura y despejada

Fairbanks, Alaska
Cinco a diez veces al mes

Oslo, Noruega
Aproximadamente tres noches por mes

Norte de Escocia, Gran Bretaña
Aproximadamente una vez al mes

Frontera US/Canadá
Dos a cuatro veces al año

México y países Mediterráneos
Una a dos veces por década

Al sur de los países Mediterráneos
Una o dos veces por siglo

Ecuador
Una vez cada doscientos años

5. Alturas

Hasta aproximadamente 1915 las alturas de las auroras eran el tema más disputado en la ciencia de las auroras. Las mediciones precisas,cuantitativas de las alturas de las auroras fueron realizadas por Carl Størmer entre 1910 y 1940, usando el método de paralaje. Dos observadores - separados entre 50 y 100 kilómetros - tomaron fotografías de la misma aurora al mismo tiempo. A partir de los patrones de estrellas, pudieron leer la distancia angular y de allí calcular la altura.

"La altura media se encuentra entre los 100 y 120 kilómetros"

Basado en más de 20.000 fotografías paralácticas de auroras, Størmer y sus asistentes calcularon con exactitud la altura media de las auroras al igual que las alturas de diferentes formas de auroras . La mayor parte de las auroras nocturnas dentro de las zonas de auroras se encuentran entre 90 y 150 kilómetros. Unas pocas auroras pueden extenderse hasta aproximadamente los 500 kilómetros. La altura promedio es entre 100 y 120 kilómeters.

Professor C. Størmer y su asistente tomando fotografías paralácticas de auroras para calcular la altura de las auroras

Con el uso de sensibles medidores de luz - llamados fotómetros de aurora - se han podido medir perfiles de alturas de muchas formas de auroras nocturnas y de algunas auroras del lado diurno - usando cohetes desde Svalrak. Se ha encontrado que el borde superior de las Luces del Norte a menudo se extiende mucho más arriba de lo que se pensaba previamente. Algunos de los rayos rojos de las auroras pueden encontrarse bien por encima de los 500 kilómetros. Más aún, la intensidad de la luz de la aurora aumenta rápidamente desde el borde inferior - típicamente cerca o justo por encima de los 90 kilómetros - hasta alcanzar un máximo que habitualmente se encuentra entre los 110 y 150 kilómetros.

6. Colores

El Sol irradia todos los colores visibles, por lo cual la luz del Sol aparece blanca. El espectro de la aurora, por otro lado, no es continuo, sino que esta compuesto por una serie de líneas y bandas espectrales en los rangos del visible, ultravioleta y del infrarojo. Para poder comprender como los gases de la atmósfera emiten luz, es necesario comprender la composición de átomos y moléculas, como también que causa las auroras.

El punto principal en la teoría de las auroras es que las partículas eléctricamente cargadas excitan los gases atmosféricos, es decir, los electrones comienzan a girar alrededor del núcleo en otra órbita debido a un exceso de energía. La partícula excitada es inestable y entregará su exceso de energía a través de la emisión de luz. Esto es lo que se llama Aurora.

Impresión digital de la atmósfera

La atmósfera consiste principalmente de nitrógeno y oxígeno, los cuales, cuando son encendidos, emiten colores característicos. El espectro de los colores emitidos por varios átomos se muestra abajo.

^{Fuente: The COMET Program}

Un gas particular emite fotones en una longitud de onda fija. Midiendo la longitud de onda uno puede identificar los diferentes gases en la atmósfera superior. Se puede concluir, por lo tanto, que la composición de colores de la aurora es la impresión digital de la atmósfera.

La altura afecta el color de la Aurora.

La intensa luz verde se origina a alturas entre 120 y 180 kilómetros. Las Luces del Norte rojas ocurren a alturas incluso mayores, mientras los azules y violetas se observan principalmente por debajo de los 120 kilómetros. Cuando el Sol esta "tormentoso", el color rojo ocurre a alturas entre 90 y 100 kilómetros. Luces del Norte completamente rojas se suelen ver, particularmente en latitudes más bajas, y muchas veces son confundidas con fuego en el horizonte.

6.1. Los colores de la Aurora - Paso a Paso

6.2. Colores en acción

6.3. Espectro y Colores de la Aurora

Cuando la aurora es débil, aparece blanca al ojo desnudo. A medida que aumenta su brillo, la visión de los colores aparece, y el verde pálido característico de la aurora se hace visible.

A medida que se hace más intensa, se hace visible un verde brillante en las regiones inferiores, y se dicierne un pálido resplandor rojizo a mayores alturas.

Cuando la aurora es muy energética y muy resplandeciente, aparece un borde rojo intenso por debajo del color verde.

6.4. Los gases y los colores

La atmósfera por encima de los 100 kilómetros consiste principalmente de moléculas de nitrógeno y átomos de oxígeno, con más nitrógeno a los 100 kilómetros que transiciona proporcionalmente a más oxígeno a los 200 kilómetros.

Cuando los átomos de oxígeno son excitados, emiten luz de distintos colores, pero los más resplandecientes son en emisiones de rojo y verde.

Las moléculas excitadas de nitrógeno emiten luz roja, azul, y violeta. El juego entre el oxígeno y el nitrógeno y sus cambios proporcionales con la altura causan la apariencia típica de los colores de la aurora.

Algunas de las moléculas excitadas de nitrógeno también interactuan con el oxígeno atómico, causando una emisión adicional de luz verde en la longitud de onda de 558 nanometers. Esta emisión, llamada la "linea verde de la aurora ", se ve a través de la aurora hasta aproximadamente los 100 kilómetros, dando a la aurora su apariencia verde dominante.

Los átomos de oxígeno emiten la "línea roja de la aurora " a los 630 nanometros solo a muy grandes alturas porque éstos átomos son des-excitados por las colisiones con las moléculas de nitrógeno por debajo de los 150 kilómetros aproximadamente.

La línea verde de la aurora desaparece por debajo de los 100 kilómetros, donde existe poca concentración de oxígeno atómico.

6.5. Resumiendo los colores

Cuando partículas altamente energéticas llegan a los niveles bajos, gatillan las emisiones del rojo, azul y violeta dadas por el nitrógeno molecular, observándose un borde rojo o magenta en el límite inferior de las cortinas que forma la aurora. Este efecto dramático se incrementa por el rápido movimiento asociado a estos despliegues altamente energéticos. También es posible ver olas de luz verde "persiguiendo" al magenta, un efecto causado por la diferencia de tiempo entre la excitación del oxígeno y del nitrógeno. Los átomos de oxígeno persisten aproximadamente un segundo en su estado inestable antes de decaer, mientras que las emisiones de las moléculas de nitrógeno son instantáneas

Fuente: COMET Program

Aqui puede ver como diferentes gases en la atmósfera (ver los recuadros) generan distintos colores al interactuar con las partículas cargadas de energía

7. Intensidad de las Auroras

Comparada con la luz del Sol y de la Luna, el resplandor de la aurora es más bien débil. Con los nuevos instrumentos ópticos se pueden estudiar ahora auroras débiles con intensidades bien por debajo del umbral de nuestros ojos.

Las Luces del Norte débiles tienen un resplandor comparable al de la Vía Láctea, nuestra galaxia, que puede ser vista como una banda difusa de luz atravesando el cielo en noches despejadas de invierno.

Las Luces del Norte de mediana intensidad son más resplandecientes que la mayoría de las estrellas. Luego, durante una aurora de intensidad media no podemos ver las estrellas que se encuentran por detrás de la aurora en la línea de visión.

Las Luces del Norte intensas son comparables a la luz proveniente de la luna. Las Luces del Norte en este caso son mucho más intensas que la luz de las estrellas y entre 100 y 1000 veces más intensas que la luz observable más débil.