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Cosa causa i diversi colori dell’aurora?

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La settimana scorsa, un’enorme eruzione solare ha inviato un’ondata di particelle energetiche provenienti dal Sole nello spazio. Durante il fine settimana, l’onda ha raggiunto la Terra e le persone di tutto il mondo hanno potuto ammirare un’aurora insolitamente vivida in entrambi gli emisferi.

Mentre l’aurora è normalmente visibile solo vicino ai poli, questo fine settimana è stata avvistata fino alle Hawaii nell’emisfero settentrionale e fino a Mackay nel sud.

Questo spettacolare picco di attività aurorale sembra essere terminato, ma non preoccuparti se te lo sei perso. Il Sole si sta avvicinando al picco del suo ciclo di macchie solari di 11 anni, ed è probabile che periodi di aurore intense ritornino nel prossimo anno.

Se hai visto l’aurora o una qualsiasi delle foto scattate, potresti chiederti cosa stava succedendo esattamente. Cosa rende il bagliore e i diversi colori? La risposta riguarda gli atomi, il modo in cui si eccitano e il modo in cui si rilassano.

Quando gli elettroni incontrano l’atmosfera

Le aurore sono causate da particelle subatomiche cariche (per lo più elettroni) che si infrangono nell’atmosfera terrestre. Questi vengono emessi continuamente dal Sole, ma ce ne sono di più durante i periodi di maggiore attività solare.

La maggior parte della nostra atmosfera è protetta dall’afflusso di particelle cariche da parte del campo magnetico terrestre. Ma vicino ai poli possono intrufolarsi e provocare il caos.

L’atmosfera terrestre è composta per circa il 20% da ossigeno e per l’80% da azoto, con alcune tracce di altre cose come acqua, anidride carbonica (0,04%) e argon.

Aurora del maggio 2024 visibile nel regione Emilia-Romagna, nel nord Italia
L’aurora del maggio 2024 era visibile anche nella regione Emilia-Romagna, nel nord Italia. Luca Argalia/Flickr
CC BY-NC-SA

Quando gli elettroni ad alta velocità si scontrano con le molecole di ossigeno nell’alta atmosfera, dividono le molecole di ossigeno (O₂) in singoli atomi. Anche la luce ultravioletta del Sole fa lo stesso e gli atomi di ossigeno generati possono reagire con le molecole di O₂ per produrre ozono (O₃), la molecola che ci protegge dalle dannose radiazioni UV.

Ma, nel caso dell’aurora, gli atomi di ossigeno generati sono in uno stato eccitato. Ciò significa che gli elettroni degli atomi sono disposti in modo instabile e possono “rilassarsi” emettendo energia sotto forma di luce.

Cosa rende l’aurora verde?

Come vedete nei fuochi d’artificio, gli atomi di diversi elementi producono diversi colori di luce quando sono energizzati.

Gli atomi di rame producono una luce blu, il bario è verde e gli atomi di sodio producono un colore giallo-arancione che potresti aver visto anche nei vecchi lampioni stradali. Queste emissioni sono “permesse” dalle regole della meccanica quantistica, il che significa che avvengono molto rapidamente.

Quando un atomo di sodio è in uno stato eccitato, rimane lì solo per circa 17 miliardesimi di secondo prima di emettere un fotone giallo-arancione.

Ma, nell’aurora, molti atomi di ossigeno vengono creati in stati eccitati senza alcun modo “consentito” di rilassarsi emettendo luce. Tuttavia, la natura trova un modo.

La luce verde che domina l’aurora è emessa dagli atomi di ossigeno che si rilassano da uno stato chiamato “¹S” ad uno stato chiamato “¹D”. Questo è un processo relativamente lento, che in media richiede quasi un secondo intero.

In effetti, questa transizione è così lenta che di solito non avviene al tipo di pressione dell’aria che vediamo a livello del suolo, perché l’atomo eccitato avrà perso energia urtando un altro atomo prima di avere la possibilità di emettere un bel colore verde. Ma nella parte superiore dell’atmosfera, dove la pressione dell’aria è più bassa e quindi contiene meno molecole di ossigeno, hanno più tempo prima di scontrarsi e quindi hanno la possibilità di rilasciare un fotone.

Per questo motivo, gli scienziati hanno impiegato molto tempo per capire che la luce verde dell’aurora proveniva da atomi di ossigeno. Il bagliore giallo-arancione del sodio era noto nel 1860, ma fu solo negli anni ’20 che gli scienziati capirono che il verde aurorale era dovuto all’ossigeno.

Cosa rende l’aurora rossa?

La luce verde proviene da una cosiddetta transizione “proibita”, che avviene quando un elettrone nell’atomo di ossigeno esegue un improbabile salto da uno schema orbitale all’altro. (Le transizioni proibite sono molto meno probabili di quelle consentite, il che significa che richiedono più tempo per verificarsi.)

Tuttavia, anche dopo aver emesso il fotone verde, l’atomo di ossigeno si ritrova in un altro stato eccitato senza alcun rilassamento consentito. L’unica via di fuga è attraverso un’altra transizione proibita, dallo stato ¹D allo stato ³P – che emette luce rossa.

Questa transizione è ancora più vietata, per così dire, e lo stato ¹D deve sopravvivere per circa due minuti prima di poter finalmente infrangere le regole e emettere semaforo rosso. Poiché impiega così tanto tempo, la luce rossa appare solo ad alta quota, dove le collisioni con altri atomi e molecole sono scarse.

Inoltre, poiché lassù c’è una quantità così piccola di ossigeno, la luce rossa tende ad apparire solo nelle aurore intense, come quelle che abbiamo appena avuto.

Questo è il motivo per cui la luce rossa appare sopra quella verde. Sebbene entrambi abbiano origine da rilassamenti proibiti degli atomi di ossigeno, la luce rossa viene emessa molto più lentamente e ha maggiori probabilità di essere spenta dalle collisioni con altri atomi a quote più basse.

Altri colori dell’aurora e perché le fotocamere li vedono meglio

Sebbene il verde sia il colore più comune da vedere nell’aurora, e il rosso il secondo più comune, ci sono anche altri colori. In particolare, le molecole di azoto ionizzato (N₂⁺, a cui manca un elettrone e hanno carica elettrica positiva), possono emettere luce blu e rossa. Questo può produrre una tonalità magenta a basse altitudini.

Tutti questi colori sono visibili ad occhio nudo se l’aurora è sufficientemente luminosa. Tuttavia, appaiono con maggiore intensità nell’obiettivo della fotocamera.

Ci sono due ragioni per questo. Innanzitutto, le fotocamere hanno il vantaggio di una lunga esposizione, il che significa che possono dedicare più tempo a raccogliere la luce per produrre un’immagine rispetto ai nostri occhi. Di conseguenza, possono realizzare un’immagine in condizioni di scarsa illuminazione.

Il secondo è che i sensori di colore dei nostri occhi non funzionano molto bene al buio, quindi tendiamo a vedere in bianco e nero in condizioni di scarsa illuminazione. Le fotocamere non hanno questa limitazione.

Non preoccuparti, però. Quando l’aurora è sufficientemente luminosa, i colori sono chiaramente visibili ad occhio nudo.