De ce aurorele au culori diferite?

Săptămâna trecută, un imens erupție solară a trimis un val de particule energetice de la Soare care iese prin spațiu. În weekend, valul a ajuns pe Pământ, iar oamenii din întreaga lume s-au bucurat de vederea unei aurore neobișnuit de vii în ambele emisfere.

În timp ce aurora este în mod normal vizibilă doar aproape de poli, în acest weekend a fost observată la sud până în Hawaii în emisfera nordică și la nord până la Mackay in sud.

Această creștere spectaculoasă a activității aurorale pare să se fi încheiat, dar nu vă faceți griji dacă ați ratat-o. Soarele se apropie de vârful său Ciclul petelor solare de 11 aniiar perioadele de aurore intense sunt probabil să revină în următorul an.

Dacă ați văzut aurora sau oricare dintre fotografii, s-ar putea să vă întrebați ce se întâmplă exact. Ce face strălucirea și diferitele culori? Răspunsul este despre atomi, cum devin emoționați și cum se relaxează.

Când electronii se întâlnesc cu atmosfera

The aurore sunt cauzate de particulele subatomice încărcate (în mare parte electroni) care se izbesc în atmosfera Pământului. Acestea sunt emise de Soare tot timpul, dar sunt mai multe în perioadele de activitate solară mai mare.

Cea mai mare parte a atmosferei noastre este protejată de afluxul de particule încărcate de către Pământ camp magnetic. Dar lângă poli, se pot strecura și face ravagii.

Atmosfera Pământului este aproximativ 20% oxigen și 80% azot, cu câteva urme de alte lucruri, cum ar fi apă, dioxid de carbon (0,04%) și argon.

Când electronii de mare viteză se sparg în molecule de oxigen din atmosfera superioară, ei împart moleculele de oxigen (O₂) în atomi individuali. Lumina ultravioletă de la Soare face acest lucru și atomii de oxigen generați pot reacționa cu moleculele de O₂ pentru a produce ozon (O₃), molecula care ne protejează de radiațiile UV dăunătoare.

Dar, în cazul aurorei, atomii de oxigen generați sunt în stare excitată. Aceasta înseamnă că electronii atomilor sunt aranjați într-un mod instabil care se poate „relaxa” prin emanarea de energie sub formă de lumină.

Ce face lumina verde?

După cum vedeți în artificiile, atomii diferitelor elemente produc culori diferite de lumină atunci când sunt energizați.

Atomii de cupru dau o lumină albastră, bariul este verde, iar atomii de sodiu produc o culoare galben-portocalie pe care poate ați văzut-o și la lămpile străzilor mai vechi. Aceste emisii sunt „permise” de regulile mecanica cuanticăceea ce înseamnă că se întâmplă foarte repede.

Când un atom de sodiu este într-o stare excitată, acesta rămâne acolo doar aproximativ 17 miliarde de secunde înainte de a trage un foton galben-portocaliu.

Dar, în aurora, mulți dintre atomii de oxigen sunt creați în stări excitate, fără modalități „permise” de relaxare prin emiterea de lumină. Cu toate acestea, natura găsește o cale.

Lumina verde care domină aurora este emisă de atomii de oxigen care se relaxează de la o stare numită „¹S” la o stare numită „¹D”. Acesta este un proces relativ lent, care durează în medie aproape o secundă întreagă.

De fapt, această tranziție este atât de lentă încât de obicei nu se va întâmpla la felul de presiune a aerului pe care îl vedem la nivelul solului, deoarece atomul excitat va fi pierdut energie prin lovirea de un alt atom înainte de a avea șansa de a trimite un verde minunat. foton. Dar în zonele superioare ale atmosferei, unde există o presiune mai mică a aerului și, prin urmare, mai puține molecule de oxigen, ei au mai mult timp înainte de a se ciocni unul de celălalt și, prin urmare, au șansa de a elibera un foton.

Din acest motiv, oamenilor de știință le-a luat mult timp să-și dea seama că lumina verde a aurorei venea de la atomii de oxigen. Strălucirea galben-portocalie a sodiului era cunoscută în anii 1860, dar abia în anii 1920. Oameni de știință canadieni și-a dat seama că verdele auroral se datorează oxigenului.

Ce face lumina roșie?

Lumina verde provine dintr-o așa-numită tranziție „interzisă”, care se întâmplă atunci când un electron din atomul de oxigen execută un salt puțin probabil de la un model orbital la altul. (Tranzițiile interzise sunt mult mai puțin probabile decât cele permise, ceea ce înseamnă că durează mai mult să apară.)

Cu toate acestea, chiar și după emiterea acelui foton verde, atomul de oxigen se găsește într-o altă stare excitată, fără relaxare permisă. Singura scăpare este printr-o altă tranziție interzisă, de la starea ¹D la starea ³P – care emite lumină roșie.

Această tranziție este și mai interzisă, ca să spunem așa, iar starea ¹D trebuie să supraviețuiască aproximativ două minute înainte de a putea în cele din urmă să încalce regulile și să dea lumină roșie. Pentru că durează atât de mult, lumina roșie apare doar la altitudini mari, unde ciocnirile cu alți atomi și molecule sunt rare.

De asemenea, pentru că există o cantitate atât de mică de oxigen acolo, lumina roșie tinde să apară doar în aurore intense – precum cele pe care tocmai le-am avut.

Acesta este motivul pentru care lumina roșie apare deasupra verdelui. În timp ce ambele își au originea în relaxările interzise ale atomilor de oxigen, lumina roșie este emisă mult mai lent și are șanse mai mari de a fi stinsă prin ciocniri cu alți atomi la altitudini mai mici.

Alte culori și de ce camerele le văd mai bine

În timp ce verdele este cea mai comună culoare care se vede în auroră, iar roșul este a doua cea mai comună, există și alte culori. În special, moleculele de azot ionizat (N₂⁺, cărora le lipsește un electron și au o sarcină electrică pozitivă), pot emite lumină albastră și roșie. Acest lucru poate produce o nuanță magenta la altitudini joase.

Toate aceste culori sunt vizibile cu ochiul liber dacă aurora este suficient de strălucitoare. Cu toate acestea, ele apar cu mai multă intensitate în obiectivul camerei.

Există două motive pentru aceasta. În primul rând, camerele au avantajul unei expuneri lungi, ceea ce înseamnă că pot petrece mai mult timp colectând lumină pentru a produce o imagine decât o pot face ochii noștri. Drept urmare, pot face o imagine în condiții mai slabe.

Al doilea este că senzorii de culoare din ochii noștri nu funcționează foarte bine în întuneric – așa că avem tendința de a vedea în alb și negru în condiții de lumină scăzută. Camerele nu au această limitare.

Să nu-ți faci griji, totuși. Când aurora este suficient de strălucitoare, culorile sunt clar vizibile cu ochiul liber.

Acest articol editat este republicat din Conversatia sub o licență Creative Commons. Citeste Articol original.

Profesorul Timothy Schmidt lucrează la Școala de Chimie de la UNSW Sydney, unde este și director de cercetare. El este cercetător șef în Centrul ARC de excelență în știința excitanului.