As cores das auroras

As auroras certamente estão entre as aparições mais espetaculares que a natureza tem para oferecer. Elas tem capturado a fantasia e a criatividade da humanidade desde os tempos mais antigos. Apesar disso, em uma busca rápida na internet, os textos explicativos em português são vagos e limitados. Quando não, são guias para turismo em países onde as auroras acontecem. Além disso, eventualmente caímos em armadilhas que explicam o fenômeno auroral de maneira mais simples do que ele de fato é. Atribui-se o fenômeno como sendo uma consequência do vento solar. As auroras já apareciam nos escritos babilônicos de 2500 anos atrás e em registros da china antiga 180 anos antes de Cristo. Na Grécia antiga, talvez a única menção ao fenômeno pode ser encontrada em “Meteorologia” de Aristóteles. Mesmo no velho testamento há menções ao fenômeno.

Dependendo da intensidade e aparência, o show de luzes coloridas que surgem nos céus próximo aos polos foram muitas vezes interpretados como sinais de um presságio divino para muitas dessas civilizações. Para os Inuit, por exemplo, as luzes polares eram espíritos ou almas de seus antepassados com os quais eles se conectavam. Embora explicações para essas luzes polares estejam presentes em diversas culturas, as auroras talvez sejam o mais antigo fenômeno da geofísica espacial. Ou mesmo de um fenômeno que ocorre na alta atmosfera observável. Desta forma, a aurora despertou o interesse entre os séculos XVI e XX de grandes nomes da ciência. No entanto, só na segunda metade do século XX tenha sido possível melhores observações e o melhor compreendimento do que acontece.

As primeiras explicações, carregadas de relatos e interpretações místicas e proféticas desde o tempo greco-romano, podem parecer um tanto fantasiosas para um cientista do século XX. Porém, o próprio nome aurora, cunhado por Galileu em algum momento do século XVII, é uma homenagem a deusa romana do amanhecer.

Várias propostas foram desenvolvidas nos últimos 150 anos para explicar o fenômeno. Muitas delas estavam involuntariamente perto das observações modernas. Nenhuma descoberta significativa foi alcançada até o final do século XIX. Isso aconteceu quando os raios catódicos foram descobertos e identificados como elétrons pelo físico britânico J.J Thomsom. Mais tarde, o físico norueguês Kristian Birkeland propôs que a aurora fosse causada por um fluxo de elétrons emitidos pelo Sol. Aqueles elétrons que atingem a terra seriam afetados pelo campo magnético da terra. Consequentemente, eles seriam guiados para as regiões de alta latitude para criar as auroras.

Somente no início da década de 1950 foi demonstrado que a causa imediata das emissões aurorais é a excitação do gás atmosférico por partículas energéticas. Somente em 1958, quando foram feitos alguns lançamentos de foguetes, que os elétrons energéticos foram identificados como fonte primária. No entanto, uma compreensão detalhada dessas fontes ainda teve que esperar pelo entendimento da forma e da física da magnetosfera. De fato, o conhecimento detalhado dessa região é obtido por satélites e, muito do conhecimento físico e do entendimento desses fenômenos, carecem de refinamentos.

Ao contrário de muitos dos relatos popularizados do fenômeno, as luzes não são produzidas pela ação direta das partículas do vento solar com as partículas constituintes da alta atmosfera na região dos polos. Tão pouco possuem energia para quebrar a barreira formada pelo campo magnético terrestre. As partículas que “caem” na alta atmosfera, e que possuem energia para formar as auroras, são guiadas pelas linhas de campos magnéticos da Terra de uma região da magnetosfera chamada cauda magnética. Eventualmente, as linhas de campo magnético são perturbadas, o que facilitam o fenômeno chave para este processo conhecido como reconexão magnética. Isto permite que as partículas sejam guiadas pelos campos magnéticos até precipitar nas regiões polares da Terra. O vídeo abaixo apresenta de forma ilustrativa esse processo:

Uma das coisas que chamam mais a atenção nas auroras são as cores, às vezes verdes, às vezes violetas ou vermelhas. Diferentemente da luz solar que possui um espectro contínuo de emissão, as cores das luzes polares são determinadas apenas por algumas linhas de emissão. O oxigênio atômico, por exemplo, é responsável por duas cores: o verde-amarelado em 557,7 nm e o vermelho em 630 e 636.4 nm. Outro componente importante para colorizar o céu é o Nitrogênio que em sua forma molecular iônica dá tons azul-violeta, enquanto a forma molecular neutra emite tons vermelhos. A figura abaixo ilustra as bandas de emissão desses gases. Assim como em uma paleta de pintura, que podemos combinar os tons de tinta, os céus também sofrem essa variação de acordo com a intensidade e combinação de emissões.

O oxigênio atômico, como mostrado na figura abaixo, é responsável pela emissão de duas cores. A emissão na cor verde (557.7 nm) ocorre majoritariamente em 160 e 100 km de altitude e deve-se a recombinação dissociativa do O²⁺. Já a cor vermelha (630.0 nm) tem um pico de emissão de luz em aproximadamente 170 km e é devido a recombinação iônica do O²⁺.

Além da luz visível, os constituintes atmosféricos também produzem emissões infravermelhas, ultravioletas e de raios-X. Por exemplo, oxigênio atômico possui linhas de emissão na região do UV, em 130,4 e 135,6 nm, porém estas só podem ser observadas com detectores no espaço, uma vez que estas radiações são absorvidas na estratosfera.

A unidade para medir o que chamamos de luzes do céu, como as auroras, é o Rayleigh (R). Essa é uma medida da taxa de emissão de fótons. Fica a pergunta: Quanto é 1 Rayleigh? 1 R é equivalente ao fluxo de 10¹⁰ fótons por segundo ou 10¹⁰/m²s. Para se ter uma ideia mais palpável desse número, o céu noturno tem uma intensidade aproximada de 250 R. Durante a lua cheia a luminosidade média das nuvens pode chegar a incríveis 100 kR. Já durante as auroras, detectamos valores de no máximo 1000 R. Ou seja, em um ambiente noturno com uma lua cheia, temos uma “competição” luminosa. Isso que pode impedir que observemos as auroras.

A dinâmica das auroras é dependente do número de partículas que chegam na atmosfera. Assim, em condições normais ou calmas, as auroras possuem pouca luminosidade. Em contrapartida, durante atividades solares e devido a perturbações na magnetosfera, as auroras apresentam intenso brilho e uma variabilidade de cores e formas como apresentado abaixo.

Obviamente, para analisar as cores e também todo o conjunto de reações químicas que acontecem, é necessário um modelo computacional. Esse modelo deve levar em conta todas as cadeias de reações químicas possíveis. Isso ainda é limitado nos dias atuais, apesar dos grandes avanços na descrição das reações químicas desta região nos últimos 50 anos.

Por fim, assim como em nosso planeta, observação de auroras são conhecidas em outros planetas como Vênus e Marte. No entanto, lá as auroras tem características morfológicas um pouco diferente das que ocorrem por aqui, mas essa história fica para um outro momento.

REFERÊNCIAS

Stephenson FR, Willis DM, Hallinan TJ. Aurorae: The earliest datable observation of the aurora borealis. Astronomy & Geophysics, Volume 45, Issue 6, pp. 6.15-6.17. 2004

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Hargreaves JK. The solar Terrestrial environment. Cambridge University Press. 1995.

Kirchhoff VW. Introdução À Geofísica Espacial. Edusp. 1991