Na semana passada, uma enorme explosão solar enviou uma onda de partículas energéticas do Sol através do espaço. No fim de semana, a onda atingiu a Terra e pessoas de todo o mundo apreciaram a visão de uma aurora invulgarmente vívida em ambos os hemisférios.



Embora a aurora normalmente só seja visível perto dos pólos, neste fim de semana ela foi vista no extremo sul, no Havaí, no hemisfério norte, e no extremo norte, em Mackay, no sul.

Este aumento espetacular na atividade auroral parece ter terminado, mas não se preocupe se você perdeu. O Sol está se aproximando do pico de seu ciclo de manchas solares de 11 anos, e é provável que períodos de intensa aurora retornem no próximo ano.

Se você viu a aurora ou qualquer uma das fotos, deve estar se perguntando o que exatamente estava acontecendo. O que faz o brilho e as cores diferentes? A resposta tem tudo a ver com os átomos, como eles ficam excitados – e como relaxam.

Quando os elétrons encontram a atmosfera

As auroras são causadas por partículas subatômicas carregadas (principalmente elétrons) que colidem com a atmosfera da Terra. Estes são emitidos pelo Sol o tempo todo, mas há mais durante períodos de maior atividade solar.

A maior parte da nossa atmosfera está protegida do influxo de partículas carregadas pelo campo magnético da Terra. Mas perto dos pólos, eles podem entrar furtivamente e causar estragos.

A atmosfera da Terra é composta por cerca de 20% de oxigênio e 80% de nitrogênio, com alguns vestígios de outras coisas como água, dióxido de carbono (0,04%) e argônio.

Quando os elétrons em alta velocidade colidem com as moléculas de oxigênio na alta atmosfera, eles dividem as moléculas de oxigênio (O₂) em átomos individuais. A luz ultravioleta do sol também faz isso, e os átomos de oxigênio gerados podem reagir com moléculas de O₂ para produzir ozônio (O₃), a molécula que nos protege da radiação UV prejudicial.

Mas, no caso da aurora, os átomos de oxigênio gerados estão em estado excitado. Isso significa que os elétrons dos átomos estão dispostos de uma forma instável que pode “relaxar” ao liberar energia na forma de luz.

O que faz o sinal verde?

Como você pode ver nos fogos de artifício, átomos de diferentes elementos produzem diferentes cores de luz quando são energizados.

Os átomos de cobre fornecem uma luz azul, o bário é verde e os átomos de sódio produzem uma cor amarelo-laranja que você também pode ter visto em lâmpadas de rua mais antigas. Estas emissões são “permitidas” pelas regras da mecânica quântica, o que significa que acontecem muito rapidamente.

Quando um átomo de sódio está em estado excitado, ele permanece lá apenas por cerca de 17 bilionésimos de segundo antes de disparar um fóton amarelo-laranja.

Mas, na aurora, muitos dos átomos de oxigénio são criados em estados excitados, sem formas “permitidas” de relaxar através da emissão de luz. No entanto, a natureza encontra um caminho.

A luz verde que domina a aurora é emitida por átomos de oxigênio que relaxam de um estado chamado “¹S” para um estado chamado “¹D”. Este é um processo relativamente lento, que em média leva quase um segundo inteiro.

Na verdade, esta transição é tão lenta que normalmente não acontece com o tipo de pressão atmosférica que vemos ao nível do solo, porque o átomo excitado terá perdido energia ao colidir com outro átomo antes de ter a oportunidade de emitir um lindo verde. fóton. Mas nas partes superiores da atmosfera, onde há menor pressão do ar e, portanto, menos moléculas de oxigénio, elas têm mais tempo antes de colidirem umas com as outras e, portanto, têm a oportunidade de libertar um fotão.

Por esta razão, os cientistas demoraram muito para descobrir que a luz verde da aurora vinha dos átomos de oxigênio. O brilho amarelo-laranja do sódio era conhecido na década de 1860, mas foi somente na década de 1920 que os cientistas canadenses descobriram que o verde auroral se devia ao oxigênio.

O que faz o sinal vermelho?

A luz verde vem de uma chamada transição “proibida”, que acontece quando um elétron no átomo de oxigênio executa um salto improvável de um padrão orbital para outro. (As transições proibidas são muito menos prováveis ​​do que as permitidas, o que significa que demoram mais para ocorrer.)

Porém, mesmo depois de emitir aquele fóton verde, o átomo de oxigênio se encontra em outro estado excitado sem relaxamento permitido. A única saída é através de outra transição proibida, do estado ¹D para o estado ³P – que emite luz vermelha.

Esta transição é ainda mais proibida, por assim dizer, e o Estado ¹D tem de sobreviver durante cerca de dois minutos antes de poder finalmente quebrar as regras e emitir luz vermelha. Por demorar tanto, a luz vermelha só aparece em grandes altitudes, onde as colisões com outros átomos e moléculas são escassas.

Além disso, como existe uma quantidade tão pequena de oxigênio lá em cima, a luz vermelha tende a aparecer apenas em auroras intensas – como as que acabamos de ter.

É por isso que a luz vermelha aparece acima da verde. Embora ambos tenham origem em relaxamentos proibidos de átomos de oxigênio, a luz vermelha é emitida muito mais lentamente e tem maior chance de ser extinta por colisões com outros átomos em altitudes mais baixas.

Outras cores e por que as câmeras as veem melhor

Embora o verde seja a cor mais comum de se ver na aurora e o vermelho a segunda mais comum, também existem outras cores. Em particular, moléculas de nitrogênio ionizado (N₂⁺, às quais falta um elétron e têm carga elétrica positiva), podem emitir luz azul e vermelha. Isso pode produzir uma tonalidade magenta em baixas altitudes.

Todas essas cores são visíveis a olho nu se a aurora for suficientemente brilhante. Porém, eles aparecem com mais intensidade nas lentes da câmera.

Há duas razões para isso. Primeiro, as câmeras têm o benefício de uma longa exposição, o que significa que podem passar mais tempo coletando luz para produzir uma imagem do que nossos olhos. Como resultado, eles podem tirar uma foto em condições mais escuras.

A segunda é que os sensores de cor dos nossos olhos não funcionam muito bem no escuro – por isso tendemos a ver em preto e branco em condições de pouca luz. As câmeras não têm essa limitação.

Não se preocupe, no entanto. Quando a aurora é suficientemente brilhante, as cores são claramente visíveis a olho nu.

Fornecido por The Conversation


Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.