La aurora polar es un fenómeno óptico que consiste en un brillo observado en el cielo nocturno en las regiones polares, debido al impacto de las partículas del viento solar y el polvo espacial que se encuentran en la vía láctea con la atmósfera superior de la Tierra, canalizado por el campo magnético de la Tierra.
En latitudes del hemisferio norte se conoce como aurora boreal (nombre bautizado por Galileo Galilei en 1619, en referencia a la diosa romana del amanecer Aurora y a su hijo Boreas, representante de los vientos del norte), o luces del norte (nombre más común entre los escandinavos). Por lo general ocurre en tiempos de septiembre a octubre y de marzo a abril.
En latitudes del hemisferio sur se conoce como aurora austral, nombre bautizado por James Cook, una referencia directa al hecho de encontrarse en el sur.
El fenómeno no es exclusivo de la Tierra, también se observa en otros planetas del Sistema Solar como Júpiter, Saturno, Marte y Venus. Del mismo modo, el fenómeno no es único de la naturaleza, siendo también reproducible artificialmente por las explosiones nucleares o de laboratorio.
La aurora aparece típicamente tanto como un resplandor difuso o como una cortina extendida horizontalmente. A veces se forman arcos que puede cambiar de forma constante. Cada cortina se compone de muchos radios paralelos y alineados en la dirección de las líneas del campo magnético, lo que sugiere que el fenómeno en nuestro planeta está alineado con el campo magnético terrestre. Asimismo, el unirse a varios factores puede conducir a la formación de líneas aurorales de tonalidades de color específicos.
Aurora polar terrestre
La aurora polar terrestre es causada por la energía de los electrones de 1 a 15 keV, además de protones y partículas alfa, siendo que la luz es producida cuando ellos chocan con átomos de la atmósfera del planeta, predominantemente oxígeno y nitrógeno, típicamente en altitudes entre 80 y 150 km.
Cada colisión de la partícula emite energía para el átomo que es alcanzado, un proceso de ionización, disociación y excitación de partículas. Cuando ocurre ionización, electrones salen del átomo, los cuales cargan energía y crean un efecto dominó de ionización en otros átomos. La excitación resulta en emisión, llevando al átomo a estados inestables, siendo que estos emiten luz en frecuencias específicas mientras se estabilizan. Mientras la estabilización del oxígeno toma un segundo en suceder, el nitrógeno se estabiliza y emite luz instantáneamente. Tal proceso, que es esencial para la formación de la ionosfera terrestre, es comparable al de una pantalla de televisión, en la cual los electrones alcanzan una superficie de fósforo, alterando el nivel de energía de las moléculas y resultando en la emisión de luz.
De un modo general, el efecto de luz está dominado por la emisión de átomos de oxígeno en la atmósfera superior (cerca de 200 km de altitud), que produce el tono verde. Cuando la tormenta es fuerte, las capas bajas de la atmósfera se ven afectadas por el viento solar (unos 100 km de altitud), produciendo un tono rojo oscuro por la emisión de átomos de nitrógeno (predominante) y oxígeno. Los átomos de oxígeno emiten tonalidades de colores bastante variadas, pero las predominantes son el rojo y el verde.
El fenómeno también se observa con una luz ultravioleta, violeta o azul claro, causada por átomos de nitrógeno, siendo que la primera es una buena manera de verlo desde el espacio (pero no en tierra firme, debido a que la atmósfera absorbe los rayos UV). El satélite de la NASA Polar ya observó el efecto de los rayos X, siendo que la imagen muestra precipitaciones de electrones de alta energía.
La interacción entre las moléculas de oxígeno y nitrógeno, ambas generando en la franja del verde, crea el efecto de la ‘línea verde auroral’, aunque más raro y presente en las altitudes más altas.
La Tierra es golpeada constantemente por los vientos solares, un flujo enrarecido de plasma caliente (gas de electrones libres y cationes) emitidas por el Sol en todas las direcciones, resultado de muy altas temperaturas de la capa más externa de la estrella, la corona solar. Durante tempestades magnéticas los flujos pueden ser más fuertes, así como el campo magnético interplanetario entre los dos cuerpos celestes, causando disturbios por la ionosfera en respuesta a las tempestades. Tales disturbios afectan a la calidad de la comunicación por radio o de sistemas de navegación, además de causar daños para astronautas en tal región, células solares de satélites artificiales, en el movimiento de brújulas y en la acción de radares. La respuesta de la ionosfera es compleja y de difícil modelaje, dificultando la predicción para tales eventos.
La magnetosfera de la Tierra es una región del espacio dominada por su campo magnético. Se forma un obstáculo en el camino del viento solar, causando su dispersión a su regreso.
La anchura de la magnetosfera terrestre es de aproximadamente 190.000 km, y durante las noches una larga cola magnética es extendida para distancias aún mayores.
Las auroras suelen limitarse a regiones de forma oval, cerca de los polos magnéticos. Cuando la actividad del efecto está tranquila, la región posee un tamaño medio de 3.000 kilómetros, pudiendo aumentar para 4.000 o 5.000 kilómetros cuando los vientos solares son más intensos.
La fuente de la energía de la aurora se obtiene por el viento solar que fluye a través de la Tierra. Tanto la magnetosfera como el viento solar pueden conducir la electricidad. Se sabe que si dos conductores eléctricos conectados a un circuito eléctrico están inmersos en un campo magnético y los mueve uno respecto al otro, se genera una corriente eléctrica en el circuito. Los generadores eléctricos o dinamos hacen uso de este proceso, pero los conductores también pueden ser constituidos de plasmas u otros fluidos. Siguiendo la misma idea, el viento solar y la magnetosfera son fluidos conductores de electricidad con movimiento relativo, y son capaces de generar corriente eléctrica, que originan tal efecto luminoso.
Como los polos magnéticos y geográficos de nuestro planeta no están alineados en la misma forma en que las regiones de las auroras no están alineados con el polo geográfico. Los mejores puntos para la observación de las auroras están en Canadá para auroras boreales y en la isla de Tasmania y en el sur de Nueva Zelanda para las auroras australes.
Aurora artificial
Las auroras también pueden ser formadas por explosiones nucleares en la atmósfera superior (aproximadamente 400 km). Este fenómeno fue demostrado por la aurora artificial creada por la prueba nuclear en los Estados Unidos, llamada Starfish Prime, el 9 de julio de 1962. En ese momento el cielo de la región del Océano Pacífico estuvo iluminado por la aurora artificial durante más de siete minutos.
Este efecto fue predicho por el científico Nicholas Christofilos, que había trabajado en otros proyectos sobre explosiones nucleares. De acuerdo con el veterano estadounidense Cecil R. Coale, algunos hoteles ofrecieron en Hawái ‘fiestas de la bomba de arco iris’ en las terrazas para seguir el Starfish Prime, contradiciendo informes oficiales que indicaban que la aurora artificial era inesperada.
Las simulaciones de los efectos en el laboratorio comenzaron a ser realizadas a finales del siglo XIX por el científico noruego Kristian Birkeland, que probó, utilizando una cámara de vacío y una esfera, que los electrones eran guiados en tal efecto para las regiones polares de la esfera. Recientemente, investigadores consiguieron crear un efecto auroral modesto visible desde la Tierra al emitir rayos de radio en el cielo nocturno, tomando una coloración verde. De la misma forma que el fenómeno natural, las partículas alcanzaron la ionosfera, excitando los electrones en el plasma. Con la colisión de los electrones con la atmósfera terrestre las luces eran emitidas. Tal experiencia también aumentó el conocimiento de los efectos de la ionosfera en las comunicaciones por radio.
Auroras en otros planetas
Tanto Júpiter como Saturno también tienen campos magnéticos mucho más fuertes que nuestro planeta (Urano, Neptuno y Mercurio también son magnéticos), y ambos tienen grandes cinturones de radiación. El efecto de la aurora polar se ha observado en ambos, con la ayuda del telescopio Hubble.
Tales auroras parecen ser originadas por el viento solar. Por otro lado, las lunas de Júpiter también son poderosas fuentes de auroras. Se forman a partir de corrientes eléctricas por el campo magnético generadas por el mecanismo de dinamo relativo al movimiento entre la rotación del planeta y la translación de su luna.
Como las auroras terrestres, las auroras de Saturno crean regiones ovales totales o parciales alrededor del polo magnético. Por otro lado, las auroras de ese planeta suelen durar días, diferentes de las terrestres que duran sólo unos pocos minutos. La evidencia muestra que la emisión de luz en las auroras de Saturno cuenta con la participación de la emisión de átomos de hidrógeno.
Una aurora fue detectada recientemente en Marte por la nave espacial Mars Express durante sus observaciones del planeta en el año 2004, con los resultados publicados en el año siguiente. Marte tiene un débil campo magnético respecto al terrestre, e incluso entonces se pensaba que la falta de un fuerte campo magnético haría que este efecto fuese imposible. Se comprobó que el sistema de auroras de Marte es muy similar a la Tierra, comparable a nuestra baja y media intensidad de tormentas. A medida que el planeta se dirige siempre a nuestro planeta con su lado diurno, la observación de las auroras sólo es posible por las sondas que investigan la cara nocturna de Marte y nunca de la Tierra.
Venus, que no tiene campo magnético, también presenta el fenómeno en el que las partículas de la atmósfera se ionizan directamente por los vientos solares, también un fenómeno presente en la Tierra.
