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Un estudio reciente revela que los electrones
acelerados por la energía solar navegan suavemente el campo
magnético de la Tierra, produciendo auroras boreales. En la
oscuridad helada de las noches nórdicas, un espectáculo lumínico
enciende la bóveda celeste cuando el Sol no está. Por milenios,
las auroras boreales han despertado la curiosidad mística
y científica de los seres humanos. Aunque se sabía que están
relacionadas con el campo magnético de la Tierra, nunca antes
se había podido descifrar con claridad qué era lo que propulsa
este fenómeno natural. Ahora, un equipo de físicos podría
tener la respuesta.
Para investigar el origen de las auroras boreales,
el equipo de científicos encargados de conducir el estudio
partió de la base de que se producen por partículas arrastradas
por tormentas solares. Una vez impactadas por la radiación
solar, éstas son aceleradas por las líneas del campo magnético
terrestre hacia las latitudes más boreales del planeta. Desde
ahí, llueven en la atmósfera superior, generando caminos de
luces en medio de la noche. Por primera vez, sin embargo,
los físicos confirmaron que el mecanismo que opera detrás
de esta dinámica está dado por ondas electromagnéticas poderosas,
que aceleran los electrones a lo largo del campo magnético.
Estas condiciones se replicaron en un laboratorio, según el
artículo publicado en Nature Communications, produciendo el
mismo efecto que se puede apreciar en las noches nórdicas.
De acuerdo con Craig Kletzing, investigador de la Universidad
de Iowa, este tipo de experimentos proveen de mediciones clave
que confirman lo que ya se sabía a nivel teórico, de hecho,
explican una forma importante en la que se crean las auroras.
Las responsables, según los resultados arrojados en un entorno
controlado, son las olas de Alfvén.
No es la primera vez que se habla de las olas
de Alfvén. Por el contrario, han sido motivo de estudio científico
desde la década de los 40. Se conocen como “ondas transversales
en un fluido eléctrico que se propagan a lo largo de las líneas
del campo magnético”, de acuerdo con Michael Starr de Science
Alert. Hoy sabemos que son el mecanismo fundamental para el
transporte de energía que pueden, además, acelerar partículas
en la atmósfera del planeta. Este mismo efecto se replica
en las auroras boreales en las latitudes más altas de la Tierra.
Aunque determinar el papel que estas ondas juegan en la aceleración
de partículas en el campo magnético terrestre fue un reto,
el equipo de Kletzing cree tener mediciones exactas que comprueban
su hipótesis:
Desde el laboratorio, los físicos observaron
que las ondas de Alfvén transferían energía a los electrones
con una resonancia con las ondas. Visto de otra manera, los
electrones surfeaban encima de las olas de Alfvén continuamente,
hasta que la onda terminaba su camino. Al proceso se le conoce
como amortiguamiento de Landau, que elimina la inestabilidad
de las partículas. A nivel de lo que sucede con las auroras
boreales, se puede apreciar el mismo fenómeno. Las partículas
de energía navegan con suavidad el campo magnético de la Tierra.
De esta manera, generan despliegues de luz impresionantes
sobre la bóveda celeste.
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El estudio de las ondas de Alfvén partió del problema
del calentamiento coronal , una cuestión de larga data
en heliofísica . No estaba claro por qué la temperatura
de la corona solar es alta (alrededor de un millón de
kelvins) en comparación con su superficie (la fotosfera
), que tiene solo unos pocos miles de kelvins. Intuitivamente,
tendría sentido ver una disminución en la temperatura
cuando se aleja de una fuente de calor, pero este no
parece ser el caso a pesar de que la fotosfera es más
densa y generaría más calor que la corona. En 1942,
Hannes Alfvén propuso en Nature la existencia de una
onda electromagnético-hidrodinámica que llevaría energía
desde la fotosfera para calentar la corona y el viento
solar. Afirmó que el sol tenía todos los criterios necesarios
para soportar estas olas y que, a su vez, pueden ser
responsables de las manchas solares.
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Una aurora se produce cuando una eyección de partículas solares
cargadas choca con la magnetósfera de la Tierra. Esta «esfera»
que nos rodea obedece al campo magnético generado por el núcleo
de la Tierra, formada por líneas invisibles que parten de
los dos polos, como un imán. Además existen fenómenos muy
energéticos, como las fulguraciones o las eyecciones de masa
coronal que incrementan la intensidad del viento solar. Cuando
dicha masa solar choca con nuestra esfera protectora, estas
radiaciones solares, también conocidas con el nombre de viento
solar, se desplazan a lo largo de dicha esfera. En el hemisferio
que se encuentra en la etapa nocturna de la Tierra en los
polos, donde están las otras líneas de campo magnético, se
va almacenando dicha energía hasta que no se puede almacenar
más, y esta energía almacenada se dispara en forma de radiaciones
electromagnéticas sobre la ionosfera terrestre, creadora,
principalmente, de dichos efectos visuales.
El Sol, situado a 150 millones de kilómetros de la Tierra,
emite continuamente un flujo de partículas denominado viento
solar. La superficie del Sol o fotosfera se encuentra a unos
5800 °C; sin embargo, cuando se asciende en la atmósfera del
Sol hacia capas superiores la temperatura aumenta en vez de
disminuir. La temperatura de la corona solar, la zona más
externa que se puede apreciar a simple vista solo durante
los eclipses totales de Sol, alcanza temperaturas de hasta
tres millones de grados. Al ser mayor la presión en la superficie
del Sol que la del espacio que le rodea, 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 otros cuerpos de gran tamaño
como la Tierra.
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Los vientos solares que viajan a más de 1,8 millones
de kilómetros por hora se abrian paso el pasado Enero
a través del sistema solar para golpear la Tierra, según
pronosticaron los astrónomos. Los expertos en meteorología
espacial de la NOAA analizaron un flujo de partículas
solares que se expulsaban desde el sur del Sol para
un viaje de 150 millones de kilómetros. Revelaron que
el viento solar viajó a la asombrosa velocidad
de 500 kilómetros por segundo o 1,8 millones de kilómetros
por hora.
En lo que se refiere a las consecuencias
negativas del choque del viento solar con la magnetosfera
terrestre, es posible que se presenten interrupciones
en los sistemas de navegación y comunicaciones, así
como cortes de energía en las redes industriales. Estos
últimos, de acuerdo con Sputnik, son efectos de tormentas
que van del nivel G3 al G5.
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Las partículas del viento solar viajan a velocidades en un
rango aproximado de 490 a 1000 km/s, de modo que recorren
la distancia entre el Sol y la Tierra en aproximadamente dos
días. En las proximidades de la Tierra, el viento solar es
deflectado por el campo magnético de la Tierra o magnetósfera.
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 magnetósfera
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 líneas de campo magnético, de modo que seguirán
la trayectoria que le marquen estas. Las partículas atrapadas
en la magnetosfera colisionan con los átomos y moléculas de
la atmósfera de la Tierra que se encuentran en su nivel más
bajo de energía, en el denominado nivel fundamental. El aporte
de energía proporcionado a estas provoca estados de alta energía
también denominados de excitación. En poco tiempo, del orden
de las millonésimas de segundo, o incluso menos, los átomos
y moléculas vuelven al nivel fundamental perdiendo esa energía
en una longitud de onda en el espectro visible al ser humano,
lo que vulgarmente viene a ser la luz en sus diferentes colores.
Las auroras se mantienen por encima de los 95 km respecto
a la superficie terrestre porque a esa altitud la atmósfera
ya es suficientemente densa como para que los choques con
las partículas cargadas ocurran con tanta frecuencia que los
átomos y moléculas estén 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— como para que las pocas colisiones que ocurren tengan
un efecto significativo en su aspecto lumínico.
Las auroras tienen formas, estructuras y colores muy diversos
que además cambian rápidamente con el tiempo. Durante una
noche, la aurora puede comenzar como un arco aislado muy alargado
que se va extendiendo en el horizonte, generalmente en dirección
este-oeste. Cerca de la medianoche el arco puede comenzar
a incrementar su brillo, pueden formarse ondas o rizos a lo
largo del arco y también estructuras verticales que se parecen
a rayos de luz muy alargados y delgados. De repente la totalidad
del cielo puede llenarse de bandas, espirales, y rayos de
luz que tiemblan y se mueven rápidamente por el horizonte.
Su actividad puede durar desde unos pocos minutos hasta horas.
Cuando se aproxima el alba todo el proceso parece calmarse
y tan solo algunas pequeñas zonas del cielo aparecen brillantes
hasta que llega la mañana. Aunque lo descrito es una noche
típica de auroras, nos podemos encontrar múltiples variaciones
sobre el mismo tema.
Los colores que vemos en las auroras dependen de la especie
atómica o molecular que las partículas del viento solar excitan
y del nivel de energía que esos átomos o moléculas alcanzan.
Por ejemplo no es lo mismo que la excitación se produzca en
una zona con una atmósfera con niveles muy altos de oxígeno
que en otra con niveles muy bajos de este gas.
El oxígeno es responsable de los dos colores primarios de
las auroras. El verde/amarillo se produce a una longitud de
onda energética de 557,7 nm, mientras que el color más rojo
y morado lo produce una longitud menos frecuente en estos
fenómenos, a 630,0 nm. Para entender mejor estar relación
se recomienda buscar información sobre el espectro electromagnético
en especial el rango visible.
El nitrógeno, al que una colisión le puede desligar alguno
de sus electrones de su capa más externa, produce una luz
azulada, mientras que las moléculas de nitrógeno son muy a
menudo responsables de la coloración rojo/púrpura de los bordes
más bajos de las auroras y de las partes más externas curvadas.
El proceso es similar al que ocurre en los tubos de neón
de los anuncios o en los tubos de televisión. En un tubo de
neón, el gas se excita por corrientes eléctricas y al perder
su energía en forma de luz se forma la típica luz rosa que
todos conocemos. En una pantalla de televisión un haz de electrones
controlado por campos eléctricos y magnéticos incide sobre
la misma, haciéndola brillar en diferentes colores dependiendo
del revestimiento químico de los productos fosforescentes
contenidos en el interior de la pantalla.
Las auroras boreales se observaron y probablemente impresionaron
mucho a los antiguos. Tanto en Occidente como en China, las
auroras fueron vistas como serpientes o dragones en el cielo.
Las auroras boreales han sido estudiadas científicamente a
partir del siglo XVII. En 1621, el astrónomo francés Pierre
Gassendi describe este fenómeno observado en el sur de Francia
y le da el nombre de aurora polar. En el siglo XVIII, el astrónomo
británico Edmond Halley sospecha que el campo magnético de
la Tierra desempeña un papel en la formación de la aurora
boreal. Henry Cavendish, en 1768, logra evaluar la altitud
en la que se produce el fenómeno, pero no fue hasta 1896 cuando
reproduce en el laboratorio de Kristian Birkeland con los
movimientos de las partículas cargadas en un campo magnético,
facilitando la comprensión del mecanismo de formación de auroras.
Este fenómeno existe también en otros planetas del sistema
solar, que tienen comportamientos similares al planeta Tierra.
Tal es el caso de Júpiter y Saturno, que poseen campos magnéticos
más fuertes que la Tierra. Urano y Neptuno también poseen
campos magnéticos y ambos poseen amplios cinturones de radiación.
Las auroras han sido observadas en ambos planetas con el telescopio
Hubble. Los satélites de Júpiter, especialmente Ío, presentan
gran presencia de auroras. Las auroras han sido detectadas
también en Marte por la nave Mars Express, durante unas observaciones
realizadas en 2004 y publicadas un año más tarde. Marte carece
de un campo magnético análogo al terrestre, pero sí posee
campos locales, asociados a su corteza. Son estos, al parecer,
los responsables de las auroras en este planeta.
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El nanómetro es la unidad de longitud del Sistema Internacional
de Unidades (SI) que equivale a una mil millonésima
parte de un metro (1 nm = 10-9 m) o a la millonésima
parte de un milímetro.
Cuando una tormenta solar alcanza la Tierra puede dar
lugar a un bello espectáculo, luces de colores que surgen
en el cielo de los dos polos.
Explore.org tiene numerosas webcams repartidas por
los lugares más fascinantes del mundo: la sabana africana,
un parque natural en Norteamérica… Y también una en
el Centro de estudios del norte de Churchill, en la
provincia de Manitoba, en Canadá. El Centro está en
la Bahía de Hudson, en el Círculo Polar Ártico.
La webcam ofrece imágenes en tiempo real, algo que
debemos tener muy en cuenta si queremos ver las Auroras
Boreales. Ahora anochece más tarde y amanece más temprano,
así que los expertos recomiendan esperar hasta la 1
o 2 de la madrugada. Si no podemos estar despiertos
hasta tan tarde, a primera hora de la mañana Explore.org
muestra una recopilación de las imágenes recogidas durante
la noche.
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El noruego Kristian Birkeland explicó el origen
de este fenómeno a comienzos del siglo XX, pero la gran mayoría
de los astrónomos no aceptaron sus ideas hasta 50 años después
de su muerte. Para los vikingos eran el brillo que desprendían
las valkirias, mientras que los esquimales veían en ellas
el sendero que conducía hacia los espíritus de sus antepasados.
Las auroras boreales han alimentado durante siglos la imaginación
de muchos pueblos, que les han buscado mágicas y poéticas
explicaciones. Sin embargo, en el invierno de 1899 el científico
Kristian Birkeland (1867-1917) decidió buscar una explicación
fundamentada a este espectacular fenómeno, para lo que comenzó
expediciones al norte de su Noruega natal, que más tarde amplió
a Islandia y Rusia. Países en los que estableció observatorios
para recoger datos del campo magnético terrestre cuando tenían
lugar las auroras boreales.
Su hipótesis planteaba que se observan solo
en los polos terrestres, porque el campo magnético que rodea
la Tierra desvía los rayos de electrones que llegan desde
el Sol hasta esas zonas. Allí, esos rayos interaccionan con
la atmósfera provocando auroras polares: boreales, si son
en el polo norte, y australes, si son en el polo sur. Birkeland
nació en la ciudad de Christiania, hoy en día Oslo, y con
solo 18 años ya había escrito su primer artículo científico.
Era el comienzo de un brillante físico, ingeniero e inventor
que pronto se convertiría en catedrático de la universidad
de su ciudad. Para poner a prueba sus ideas sobre las auroras,
Birkeland desarrolló un experimento en el laboratorio. Construyó
varias terrellas, esferas metálicas magnetizadas que simulan
el campo magnético de la Tierra, dentro de un tanque de vacío.
Sobre ellas lanzó rayos catódicos -corrientes de electrones-,
lo que produjo luminosidad en las zonas de alrededor de los
polos de la terrella.
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Una terrella (expresión latina que significa
"pequeño planeta Tierra") es un modelo con forma de
esfera magnetizada que representa la Tierra. Se piensa
que pudo haber sido ideada por el médico británico William
Gilbert mientras investigaba el magnetismo, y posteriormente
fue desarrollada 300 años más tarde por el científico
noruego y explorador Kristian Birkeland, mientras investigaba
la aurora boreal. Las "Terrellas" han sido utilizadas
a lo largo del siglo XX para intentar simular las condiciones
de la magnetosfera de la Tierra, pero en épocas recientes
han sido reemplazadas por simulaciones de ordenador.
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Aun así, los principales geofísicos de la época
no tomaron en serio su hipótesis y la ridiculizaron. Tuvieron
que pasar 50 años desde su muerte para que su teoría fuese
confirmada y aceptada. En 1967, los datos aportados por un
satélite de la Armada de Estados Unidos corroboró que una
aurora se produce cuando un intenso viento solar choca contra
la magnetosfera de la Tierra, un campo magnético generado
por el núcleo terrestre. Esa cobertura de nuestro planeta
desvía hacia los polos las corrientes expulsadas por el Sol.
Ahora también sabemos que los llamativos colores que vemos
en las auroras dependen de los tipos de átomos que hay en
el aire con el que choca el viento solar. Por ejemplo, cuando
se forman auroras de color verde, la proporción de oxígeno
que hay en el aire es mayor.
Birkeland no pudo ver cómo su teoría sobre las
auroras era aceptada por la comunidad científica. Aunque en
vida fue candidato en ocho ocasiones al premio Nobel, cuatro
en su categoría de Física y otras cuatro en la de Química,
nunca se lo concedieron. Tras su muerte, uno de los cráteres
de la Luna recibió el nombre de Birkeland en su honor y, hoy
en día, los billetes de doscientas coronas noruegas llevan
grabado su rostro.
Aunque las auroras boreales, también llamadas
luces del norte, suelen observarse en el círculo polar ártico,
desde Galicia han tenido la oportunidad de verlas en algunas
ocasiones, que además han quedado registradas. La primera
fue el 25 de enero de 1938, en plena Guerra Civil, cuando
el cielo de la península ibérica se tiñó de color rojo. Entonces
los habitantes de Lalín acudieron a casa del matemático Ramón
María Aller en busca de una explicación. Aller, uno de los
padres de la astronomía gallega, tranquilizó a sus vecinos,
al explicarles que estaban viendo una aurora boreal a pesar
de estar en latitudes mucho más al sur que las polares.
El 21 de enero de 1957 volvió a repetirse un
fenómeno similar, que los científicos del Observatorio Meteorológico
de A Coruña anotaron así: «Se observó un reflejo muy intenso
rojizo con franjas verticales en dirección NNW sobre las 22.20
Z hasta las 22.45 Z. Aurora polar». En 1989, 51 años después,
tuvo lugar la última aurora polar visible desde estas tierras.
Se observó especialmente bien en Galicia, donde fue noticia
en los periódicos varios días. Desde entonces, ha habido distintas
alertas, pero ninguna llegó a confirmarse. Se calcula que
los gallegos podrían ver entre tres y cuatro auroras polares
por siglo. Si hacemos caso a la estadística, debemos de estar
a punto de ver alguna, con el permiso de las nubes.
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Es evidente que uno de los momentos más buscados de
quienes viajamos a los países nórdicos cuando no es
verano es la mera posibilidad de poder ver en directo
el baile de las auroras boreales. Noruega, Islandia,
Suecia, Finlandia, Alaska, Groenlandia y el norte de
Siberia o Canadá son lugares cuyo territorio se mece
en la frontera del Círculo Polar Ártico y, por tanto,
receptores de las célebres luces del norte. Este fenómeno
natural rodeado de mitos y leyendas justifica por sí
solo un viaje a estos países. Al menos intentar salir
a su encuentro porque, a diferencia de quien va a visitar
una catedral, una cascada o un glaciar, las auroras
no se dejan ver tan fácilmente.
En nuestro monográfico dedicado a Islandia,
recomendamos agencias para viajar al característico
destino.
Pásate por Paisajismo.
Así mismo en la sección dedicada a la
fotografía, hablamos de estas luces que han alimentado
la imaginación durante milenios.
Pásate por Octubre 2020 y Mayo
2021.
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La NASA logró en 2012 captar imágenes insólitas de
uno de los fenómenos cósmicos más espectaculares: las auroras
boreales, con la ayuda de la técnica fotográfica de 'time-lapse',
es decir, la captación de imágenes fijas que después son reproducidas
a una velocidad mayor a la que fueron tomadas. La secuencia
de imágenes combina cientos de fotografías tmadas desde la
Estación Espacial Internacional (ISS), con las que la agencia
espacial estadounidense creó la primera 'película'
que muestra este fenómeno en movimiento. La responsable de
este proyecto fue la científica de la NASA Melissa Dawson.
"Los astronautas tomaron fotos de las auroras aproximadamente
cada cinco segundos desde una ventana de la Estación Espacial,
y decidí juntarlas para ver cómo quedaban", explicó
Dawson. "De inmediato me di cuenta que el resultado era espectacular".
"Las cámaras que usan los astronautas tienen mucha mayor resolución
que una cámara de vídeo convencional, asi que logramos ver
mucho más detalle al juntarlas en la secuencia de imágenes.
Por ejemplo, las constelaciones y las luces de las ciudades
se ven con mucha más nitidez", afirmó la científica
de la agencia espacial estadounidense.
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