¿Por qué se forma la aurora boreal?

Contemplar una aurora boreal es una de las experiencias más asombrosas que pueden hacerse en la vida. Estos fenómenos atmosféricos no solo han sido un gran aliciente para el turismo a países cercanos al Polo Norte, sino que han inspirado a artistas durante toda la historia e incluso han sido pieza fundamental de la mitología de muchas civilizaciones.

Las auroras son fenómenos atmosféricos de una belleza incomparable, por lo que resulta curioso conocer que el motivo de su aparición son debilidades en el campo magnético de la Tierra que nos protege de la incidencia de vientos solares.

En efecto, la razón de ser de las auroras (son boreales si suceden en el Polo Norte y australes si lo hacen en el Polo Sur) se debe a la relación entre los rayos cósmicos del Sol y el campo magnético de la Tierra. Pero, ¿qué es lo que hace que se formen estos increíbles fenómenos de luces?

En el artículo de hoy daremos respuesta a esta pregunta. De una forma sencilla pero muy completa, entenderemos no solo qué es una aurora boreal, sino los fenómenos físicos que explican su aparición. Vamos allá.

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¿Qué es una aurora polar?

Una aurora polar es un fenómeno atmosférico en el que aparecen formas de distintos brillos y colores en el cielo nocturno generalmente en las zonas polares, aunque en determinadas ocasiones pueden llegar a zonas algo alejadas de los polos. Sea como sea, si estas auroras polares suceden en el polo norte, reciben el nombre de auroras boreales. Y si suceden en el polo sur, de auroras australes.

La más conocida es la aurora boreal, pues es en el hemisferio norte donde la observación de estos fenómenos es más accesible. Su nombre procede de Aurora, la diosa romana del amanecer, y de Bóreas, término griego que significa “norte”.

Se trata de unos acontecimientos asombrosos que, de acuerdo a los expertos, la mejor época para ser observados son otoño y primavera, entre los meses de octubre y marzo. Aun así, las auroras boreales, al depender enormemente de, como veremos, la actividad solar, son fenómenos impredecibles.

Las auroras tienen colores, estructuras y formas muy diversas que van cambiando rápidamente a lo largo del tiempo que permanecen en el cielo nocturno. Tienden a empezar como un arco aislado muy alargado que se extiende por el horizonte, generalmente en la dirección este-oeste. Posteriormente, se van formando rizos u ondas a lo largo del arco, además de formas más verticales.

Estas auroras pueden durar desde unos pocos minutos hasta varias horas, pero lo asombroso es que, casi de repente, el cielo nocturno empieza a llenarse de rizos, espirales, bandas y rayos de luz que tiemblan y se mueven rápidamente, con colores que generalmente son verdosos (ya veremos por qué) pero que pueden ser también rojizos, para desaparecer también súbitamente y dejar un cielo totalmente despejado.

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El Sol, los vientos solares y el campo magnético: ¿quién es quién?

Para entender la formación de las auroras boreales, tenemos que introducir a los tres protagonistas principales: el Sol, los vientos solares y el campo magnético de la Tierra. Es de la interrelación entre ellos que se hace posible la existencia de estos asombrosos fenómenos atmosféricos.

Empecemos con el Sol. Como bien sabemos, se trata de nuestra estrella. El Sol es un cuerpo celeste con un diámetro de 1,3 millones de kilómetros (que hace que represente el 99,86% de todo el peso del Sistema Solar) y que consiste en una esfera de plasma incandescente cuya temperatura superficial es de unos 5.500 °C.

Pero lo verdaderamente importante es que en su núcleo, que alcanza una temperatura de unos 15.000.000 °C, tienen lugar las reacciones de fusión nuclear. El Sol, por lo tanto, es un reactor nuclear a escala colosal. Se trata de una esfera de gas y plasma que libera cantidades ingentes de energía, fruto de la fusión nuclear, en forma de calor, luz y radiación electromagnética.

Y aquí entra en juego nuestro segundo protagonista: los vientos solares. Debido a las reacciones de fusión nuclear, el Sol “genera” partículas cargadas eléctricamente y que se depositan en lo que vendría a ser la atmósfera del Sol. Aun así, debido a que la presión en la superficie del Sol es mayor que la del espacio que la rodea, estas partículas tienden a escapar, siendo aceleradas por el propio campo magnético del Sol.

Esta emisión constante de partículas cargadas eléctricamente se conoce como radiación solar o viento solar. El Sol está situado a 149,6 millones de km de nosotros, pero estas partículas de vientos solares altamente energéticas viajan a una velocidad de entre 490 y 1.000 kilómetros por segundo, por lo que apenas tardan dos días en llegar a la Tierra.

Estos vientos solares son una forma peligrosa de radiación. Por suerte, cuando llegan a la Tierra, se topan con nuestro tercer y último protagonista: el campo magnético terrestre. Se trata de un campo magnético (un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas) originado en el núcleo de la Tierra a causa de los movimientos de las aleaciones de hierro fundido en el mismo.

Por lo tanto, la Tierra está rodeada por un campo de fuerza invisible y de naturaleza magnética que, como si de un imán se tratara, crea unas líneas de campo que rodean al planeta y que explican la existencia de un polo norte y un polo sur.

Y más allá de permitir el funcionamiento de las brújulas, este campo magnético es vital para protegernos de los vientos solares que comentábamos. De hecho, el campo magnético interactúa con la radiación solar en una capa de la atmósfera terrestre conocida como magnetosfera, una región que se encuentra a 500 km de altura y que nos protege de la llegada de la radiación solar. Pero esta magnetosfera tiene un punto “débil”, y es que desvía estas partículas procedentes del Sol hacia los polos terrestres. Y aquí es donde, por fin, encontramos la razón de ser de las auroras.

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¿Cómo se forma la aurora boreal?

Ya hemos entendido el papel de los vientos solares y del campo magnético terrestre. Ahora toca ver exactamente por qué se forma este asombroso fenómeno. Como hemos visto, la magnetosfera se forma por el impacto de los vientos solares con el campo magnético de la Tierra. En este sentido, es una capa que nos protege de la radiación solar.

Pero parte de estos vientos solares se deslizan por las líneas del campo magnético y llegan hasta los polos. Dicho de otra manera, las partículas cargadas energética y eléctricamente procedentes del Sol son guiadas por el campo magnético y se dirigen hacia los polos de la Tierra. La radiación solar fluye por la magnetosfera como si de un río se tratara.

Estas partículas de radiación solar quedan atrapadas en los polos, momento en el que se inicia el proceso físico que explica la aparición de las auroras boreales. Si dichas partículas tienen la energía suficiente, son capaces de atravesar la magnetosfera y llegar a la termosfera, que se extiende desde los 85 km de altura hasta los 690 km. Las auroras boreales tienen lugar en esta termosfera, que también es conocida como ionosfera.

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Cuando esto sucede, los gases de dicha termosfera, que son básicamente nitrógeno y oxígeno, absorben la radiación. Las partículas de radiación solar colisionan con los átomos gaseosos de la termosfera que se encuentran en su nivel más bajo de energía. El viento solar que ha superado el campo magnético de la Tierra excita a los átomos de nitrógeno y oxígeno, haciendo que ganen un electrón.

Al poco tiempo (hablamos de la millonésima parte de un segundo), el átomo en cuestión tiene que regresar a su nivel más bajo de energía, por lo que liberan el electrón que habían ganado. Esta pérdida de excitación implica que liberen energía. Y lo hacen. Devuelven la energía que había sido adquirida por la colisión de las partículas cargadas eléctricamente en forma de luz. Y ahí es cuando tenemos una aurora boreal.

Por lo tanto, una aurora boreal se forma cuando los átomos de los gases presentes en la termosfera reciben la colisión de partículas cargadas eléctricamente procedentes de los vientos solares que han atravesado la magnetosfera. Cuando este impacto con átomos gaseosos tiene lugar, dichos átomos reciben un electrón de las partículas solares, que hace que se exciten momentáneamente para, de forma muy rápida, devolver esta energía previamente adquirida en forma de luz.

Las formas observadas en el cielo nocturno se producen por la ionización del nitrógeno y oxígeno, que emiten luz al haber sido excitados eléctricamente. Debido a que tienen lugar en la termosfera, las auroras siempre se encuentran entre 85 y 690 km de altura.

Pero, ¿por qué tienen el color que tienen? Esto se debe, de nuevo, a la composición gaseosa de la termosfera y de los gases con los que interactúan los vientos solares. Cada gas, al volver a su nivel más bajo de energía, emite energía en una franja concreta del espectro visible electromagnético.

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El oxígeno emite luz con una longitud de onda de unos 577 nanómetros. Si miramos el espectro electromagnético, esta longitud de onda se corresponde con el color verde. Este es el motivo por el que el color verdoso es el más común en las auroras. Y es común porque gran parte de la ionización tiene lugar a los 100 km de altura, donde el oxígeno es el gas mayoritario.

Ahora bien, si la ionización se produce en capas más altas, la composición de la atmósfera será distinta, así que las longitudes de onda emitidas por los átomos serán también diferentes. A 320 km de altura y siempre que la radiación sea muy energética, es posible que el oxígeno emita luz en la franja de longitud de onda de los 630 nanómetros, que es la que corresponde al color rojo. De ahí que los colores rojizos en las auroras sean posibles pero menos frecuentes.

Paralelamente, el nitrógeno, al perder la excitación eléctrica, emite luz de una longitud de onda más corta que el oxígeno. De hecho, la energía liberada por los átomos de nitrógeno tiene una longitud de onda de entre 500 y 400 nanómetros, que se corresponde con los colores rosáceos, púrpuras y, de forma menos frecuente, azulados.

En resumen, las auroras boreales aparecen por la ionización de los átomos de los gases de la termosfera a causa de la colisión con las partículas solares y posterior regreso al nivel de energía más bajo, que provocará la emisión de luces con una longitud de onda concreta en función del gas con el que está interactuando. Las auroras son fenómenos asombrosos que, como vemos, son pura física.