L’aurora è uno dei fenomeni atmosferici più suggestivi e ha sempre suscitato stupore e meraviglia ispirando auspici e leggende. Ad esempio si credeva che fosse creata dalle valchirie durante le loro cavalcate nei cieli o da volpi artiche che correndo sbattevano la coda sulla neve.
La spiegazione scientifica di questo affascinante fenomeno non è meno suggestiva. Quello che si può osservare è il suo manifestarsi come un arco luminoso di colore solitamente verde-bianco (ma i colori possono essere diversi e in seguito si vedrà anche perchè) di intensità variabile localizzato in una zona compresa tra i 100 km e i 1000 km sulla superficie terrestre.
Le prime ipotesi di cui ho trovato informazioni risalgono al ’700 quando scienziati del calibro di Celsius, di Dalton e Biot iniziarono a studiare l’aurora osservando che poteva essere associata a interferenze magnetiche, misurandone l’altezza con il metodo della triangolazione e e proponendo legami con le eruzioni vulcaniche. Prima del 1888, però, l’ipotesi più accreditata era quella secondo cui la luce aurorale fosse luce solare riflessa da cristalli di ghiaccio presenti nell’atmosfera. Nel 1888 il fisico svedese Ångström sfruttò le sue conoscenze della spettroscopia, scienza di cui fu uno dei fondatori, per dimostrare che la luce aurorale era molto diversa dalla luce solare: mancavano molte lunghezze d’onda presenti nello spettro solare e si osservava una forte analogia tra lo spettro aurorale e quello prodotto applicando una forte differenza di potenziale ai capi di un tubo di vetro contenente del Neon.
C’erano perciò buone ragioni per supporre che l’origine della luce fosse simile. Nel tubo gli elettroni si muovono dall’elettrodo negativo a quello positivo , urtando gli atomi di neon (o di un gas analogo) presenti sulla loro strada. Nell’urto tali atomi vengono eccitati: gli atomi rimangono però in stato eccitato per poco tempo perchè la situazione con più energia è meno stabile e ritornano allo stato di riposo emettendo l’energia abbondante sotto forma di radiazione luminosa. Il colore di tale radiazione (o meglio la sua frequenza, visto che non necessariamente sarà radiazione elettromagnetica visibile) dipenderà dal tipo di gas contenuto nel tubo. In modo del tutto analogo la luce delle aurore è legata ad un processo di scarica elettrica che eccita gli atomi e le molecole presenti nelle regioni più alte dell’atmosfera.
La scarica e gli elettroni che la costituiscono derivano dall’interazione del vento solare con il campo magnetico terrestre. Nell’esperimento del tubo pieno di Neon per applicare una differenza di potenziale si collega sostanzialmente il tubo ad un generatore che di solito sfrutta l’induzione. In questo tipo di generatori la corrente elettrica è prodotta muovendo un conduttore in un campo magnetico. La potenza aurorale viene prodotta in modo molto simile: infatti dallo strato più esterno del Sole, la corona, defluisce il vento solare che è costituito da gas che per l’alta temperatura a cui si trova è costituito da nuclei ed elettroni slegati (si tratta di plasma) ed è quindi un conduttore. Tale conduttore è in moto relativo rispetto ad un magnete: la Terra! Ci troviamo così di fronte ad un vero proprio generatore che è molto potente: una grande centrale elettrica produce circa 1000MW e l’aurora polare ne produce da 1000 a 10000 volte tanto.
Ma ritorniamo al vento solare: il suo muoversi allontanandosi dal Sole confina il campo magnetico terrestre in una cavità a forma di cometa (con la coda in direzione antisolare e la Terra nel nucleo) avvolta da un “involucro” detto magnetopausa. Alla distanza di circa 10 raggi terrestri dalla superficie della Terra il modulo del campo magnetico terrestre è uguale a quello del campo magnetico solare, pertanto i due campi si interconnettono. Le particelle che costituiscono il vento solare verranno pertanto deflesse a seconda della loro carica in modo diverso dalla forza di Lorentz. I protoni vengono deflessi in senso antiorario e viceversa gli elettroni in senso orario. Si forma così una corrente che fluisce dal terminale positivo sale a quello negativo seguendo cammini elicoidali intorno alle linee di campo. A questo punto la situazione si complica perchè si formano ulteriori circuiti, detti circuiti secondari, ma il succo della questione è nel fatto che queste correnti urtano atomi e molecole presenti nell’atmosfera inducendoli per il meccanismo visto prima ad emettere luce.
A questo punto è possibile capire i diversi colori delle aurore: i fattori sono il tipo di gas (a seconda della sua configurazione elettronica) e l’energia degli elettroni che producono l’eccitazione. Nella ionosfera l’atmosfera è costituita prevalentemente da ossigeno atomico e ad essi è dovuta la luce aurorale più comune, quella bianco-verde. Gli elettroni più energetici, che riescono a penetrare più profondamente nell’atmosfera si scontrano invece con atomi di azoto neutro, producendo aurore di color rosso-rosa , mentre se urtano azoto ionizzato emettono luce color blu-violetto. In realtà la luce aurorale è fatta anche di altri “colori” che però il nostro occhio non è in grado di vedere: raggi X, radiazione ultravioletta e infrarossa. Ma direi che ci possiamo accontentare!
Questo breve articolo non contiene neanche un millesimo di tutto quello che si sa, che si cerca di scoprire sull’aurora. Particolarmente interessanti sono anche le sue forme, decise dalla combinazione di molte variabili in gioco, e i suoi movimenti. Inoltre non sono affatto un fenomeno che si verifica soltanto sul nostro pianeta: anche Mercurio, Saturno, Venere e Giove hanno infatti una magnetosfera che permette questi fenomeni.
Con questo concludo questo post, sperando che sia risultato interessante: per chi fosse interessato consiglio i lavori del ricercatore S.I.Akasofu (sono comparsi suoi articoli su LeScienze e su Physics Teacher e probabilmente anche altrove) e “The Aurora Page”. Se ci sono errori vi invito a correggermi!
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