David Barrado y Navascués, Benjamín Montesinos Comino

Durante  los  próximos  días,  nos   proponemos   añadir   varias   entradas describiendo la fenomenología asociada a las  auroras  polares.  Empezaremos con una descripción de lo qué es una aurora.

Una aurora boreal (del latín "borealis", norte) o austral  (de  "australis", sur), es un fenómeno natural que ocurre muy a menudo cerca de  las  regiones polares de la Tierra y que consiste  en  estructuras  con  forma  de  nubes, cortinas o rayos de luz, verdes, amarillas, rojas y  azules  de  formas  muy diversas que parece que danzan en el cielo nocturno.


Una aurora vista desde el espacio. La fotografía está tomada desde la Estación Espacial Internacional o ISS. Crédito NASA.


Las auroras aparecen en dos óvalos centrados encima de los polos  magnéticos de la Tierra, que no  coinciden  con  los  polos  geográficos:  la  posición actual aproximada del Polo Norte magnético es 82.7º  N 114.4º O.


Otra imágen tomada desde el espacio, en la cual se observa el polo Norte y el óvalo auroral. Además, se ve claramente que el centro de esta estructura no coincide con el polo geográfico, si no que está practicamente sobre el magnético (crédito NASA).


Las auroras ocurren  cuando  partículas  cargadas  (protones  y  electrones) procedentes del Sol, son guiadas por el  campo  magnético  de  la  Tierra  e inciden en la atmósfera cerca de los polos. Cuando  esas  partículas  chocan con los átomos y moléculas de  oxígeno  y  nitrógeno,  que  constituyen  los componentes más abundantes del aire, parte de  la  energía  de  la  colisión "excita" esos átomos a niveles de energía tales  que  cuando  se  desexcitan devuelven esa energía en forma de luz visible.


Diagrama que muestra la localización, en el Hemisferio Norte, de los polos magnético y geográfico (crédito Geological Survey of Canada). El polo magnético presenta una deriva con el tiempo, y se desplaza hacia el noroeste (más de 10 grados en los últimos 100 años).


¿Cuál es la causa de las auroras?

El Sol, situado a 150 millones de kilómetros de la  Tierra,  está  emitiendo continuamente  partículas  cargadas:  protones,  con   carga   positiva,   y electrones, con carga negativa. Ese flujo de partículas  constituye  lo  que los astrofísicos llamamos el  "viento solar".


El Sol visto por SOHO, un satélite de rayos X  (crédito NASA /ESA).


El Sol, aparentemente "aburrido"  cuando  se  le ve en fotografías tomadas en luz blanca, es muy diferente cuando se  analiza en otros rangos de longitudes de onda).  La  superficie  del  Sol, llamada  fotosfera,  se  encuentra  a  unos  6000  grados   centígrados   de temperatura, sin embargo, cuando se asciende en la atmósfera del  Sol  hacia capas superiores la temperatura aumenta en vez de disminuir, tal y  como  la intuición nos sugeriría. La temperatura de la  corona  solar,  la  zona  más externa que se puede apreciar a  simple  vista  sólo  durante  los  eclipses totales de Sol, alcanza  temperaturas  de  hasta  3  millones  de grados. El causante de ese calentamiento es el campo magnético del Sol,  que forma estructuras espectaculares como se ve  en  las  imágenes  en  rayos  X.  Al ser la presión en la superficie del Sol mayor que en  el espacio vacío, las partículas cargadas que se  encuentran  en  la  atmósfera del Sol tienden a escapar y  son  aceleradas  y  canalizadas  por  el  campo magnético del Sol, alcanzando la órbita de la Tierra  y  más  allá.  Existen fenómenos muy energéticos, como las fulguraciones o las eyecciones  de  masa coronal que incrementan la intensidad del viento solar.


Diagrama, no a escala,  que muestra la interacción entre el viento solar y la magnetosfera terrestre (crédito NASA/JPL).


Las partículas del viento solar  viajan  a  velocidades  desde  300  a  1000 kilómetros por segundo, de modo que  recorren  la  distancia  Sol-Tierra  en aproximadamente dos días. En las proximidades de la Tierra, el viento  solar es deflectado por el campo  magnético  de  la  Tierra  o  magnetosfera.  Las partículas fluyen en la magnetosfera de la misma forma que lo  hace  un  río alrededor de una piedra o de un pilar de un puente. El viento solar  también empuja a la magnetosfera y la deforma  de  modo  que  en  lugar  de  un  haz uniforme de líneas de  campo  magnético  como  las  que  mostraría  un  imán imaginario colocado en dirección norte-sur en el interior de la  Tierra,  lo que se tiene es una estructura alargada con forma de cometa  con  una  larga cola en la dirección opuesta al Sol.

Las partículas cargadas tienen la propiedad de quedar atrapadas y  viajar  a lo largo de  las  lineas  de  campo  magnético,  de  modo  que  seguirán  la trayectoria que le marquen éstas, de la misma forma que las  cuentas  de  un collar quedan enhebradas en el hilo.

Las partículas atrapadas en la magnetosfera  colisionan  con  los  átomos  y moléculas de la atmósfera de la Tierra, típicamente oxígeno  (O),  nitrógeno (N) atómicos y nitrógeno molecular (N₂) que se encuentran en  su  nivel  más bajo  de  energía,  denominado  nivel  fundamental.  El  aporte  de  energía proporcionado por  las  partículas  perturba  a  esos  átomos  y  moléculas, llevándolos a estados excitados  de  energía.  Al  cabo  de  un  tiempo  muy pequeño, del orden de las millonésimas  de  segundo  o  incluso  menor,  los átomos y moléculas vuelven al nivel fundamental, y devuelven la  energía  en forma de luz. Esa  luz  es  la  que  vemos  desde  el  suelo  y  denominamos "aurora".

Las auroras ocurren típicamente entre  los  95  y  los  1000  kilómetros  de altura. Las auroras se mantienen por encima  de  los  95  km  porque  a  esa altitud la atmósfera es tan densa y los choques con las partículas  cargadas ocurren tan frecuentemente que los átomos y  moléculas  están  prácticamente en reposo. Por otro lado, las auroras no pueden estar más arriba de los 500- 1000 km porque a esa altura la atmósfera es  demasiado  tenue  -poco  densa- para que las pocas colisiones que ocurren tengan un efecto significativo.


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Auroras australes, auroras boreales