Las auroras boreales son un fenómeno natural fascinante que ocurre cuando las partículas cargadas del viento solar chocan con la atmósfera terrestre. Este fenómeno implica transiciones mecanocuánticas en las moléculas y átomos de oxígeno y nitrógeno en la atmósfera alta, las cuales son responsables de los colores característicos que vemos en las auroras.
En el espectáculo celeste de las auroras boreales, los electrones cargados de energía desde el espacio chocan con los átomos y moléculas de nuestra atmósfera. Este encuentro no solo ralentiza a los electrones, sino que también transfiere parte de su energía cinética a los átomos y moléculas con los que colisionan. Estas moléculas, incapaces de retener la energía absorbida por mucho tiempo, la liberan rápidamente en forma de luz visible, un proceso durante el cual algunas moléculas incluso se descomponen en átomos o se ionizan.
Particularmente en altitudes superiores a los 100 kilómetros, donde la atmósfera es suficientemente tenue, el oxígeno se encuentra predominantemente en su forma atómica en lugar de la forma molecular que prevalece en los niveles más bajos. La radiación ultravioleta del sol, predominante durante el día, descompone el oxígeno molecular en átomos, un proceso que las auroras continúan durante la noche.
La luz emitida por un átomo o molécula en estas altitudes es un fotón cuya longitud de onda es distintiva del tipo de átomo o molécula emisor, determinando así el color que vemos desde la superficie terrestre. Los experimentos en laboratorios han replicado estos fenómenos al inducir una corriente eléctrica a través de un tubo de vidrio al vacío lleno de gases específicos, ayudando a comprender mejor los principios de la mecánica cuántica desde inicios del siglo XX.
Por ejemplo, la vibrante frontera violeta que a veces adornan las auroras es producto de la alta energía de los electrones que alcanzan profundidades mayores en la atmósfera, excitando principalmente al nitrógeno molecular, que rápidamente irradia luz en tonos azules y rojos. Cuando estos colores se mezclan, se produce el impresionante tono púrpura que caracteriza al borde inferior de las cortinas verdes de las auroras.
La duración de la emisión de luz por un átomo o molécula es extremadamente breve, típicamente entre 1/1,000 y menos de 1/1,000,000 de segundo. No obstante, el oxígeno atómico es una excepción, ya que su estado excitado más común en las auroras, que emite luz verde, puede existir hasta por 0.7 segundos. A altitudes donde el aire es menos denso, esto permite que la luz verde sea visible antes de que colisiones o reacciones químicas dispersen la energía acumulada.
Oxígeno: Las moléculas y átomos de oxígeno son responsables de los colores verde y rojo en las auroras.
- Verde: El color verde proviene de los átomos de oxígeno cuando son excitados a aproximadamente 100 km de altura. La excitación ocurre cuando los átomos de oxígeno absorben energía de los electrones enérgicos procedentes del viento solar. Cuando estos átomos de oxígeno regresan a su estado fundamental, emiten luz en una longitud de onda de aproximadamente 557.7 nm, que es percibida como verde.
- Rojo: El rojo se produce a alturas aún mayores, alrededor de 200 a 300 km, y resulta de la desexcitación de átomos de oxígeno en un estado energético diferente, emitiendo luz a una longitud de onda de aproximadamente 630.0 nm.
- Nitrógeno: Los átomos de nitrógeno y las moléculas contribuyen principalmente a los colores azul y púrpura, y también pueden afectar los tonos de rojo.
- Azul: Se produce cuando las moléculas de nitrógeno son excitadas y luego vuelven a un estado de energía más bajo. La luz azul generalmente aparece a alturas más bajas que el verde, alrededor de 100 km o menos.
- Púrpura/violeta: Ocurre cuando las moléculas de nitrógeno ionizadas se recombinan con electrones y se desexcitan, emitiendo luz en longitudes de onda en el espectro violeta.
Las transiciones mecanocuánticas en estos gases implican cambios en los niveles de energía de los electrones. Cuando un electrón en un átomo o molécula absorbe energía, salta a un nivel de energía más alto (estado excitado) y luego cae de nuevo a su nivel de energía original o a otro inferior, emitiendo un fotón de luz en el proceso. La energía del fotón, que determina el color de la luz, depende de la diferencia entre los niveles de energía del electrón antes y después de la transición.
Este espectáculo de luces naturales es un ejemplo hermoso de la física atómica y molecular en acción, visible principalmente en las regiones polares debido a la interacción entre el campo magnético terrestre y las partículas cargadas del sol.