Aurora boreale
Il Sole ci lancia addosso particelle, il campo magnetico terrestre le cattura, e l'aria si accende con colori decisi dalla quota.
Perché il cielo diventa verde
Livello Base — linguaggio semplice, senza matematica
Il Sole non ci sta soltanto illuminando: ci sta lanciando addosso delle cose. Un vento sottile di particelle cariche soffia via da lui di continuo a centinaia di chilometri al secondo, e ogni tanto una tempesta sulla sua superficie ne scaglia una nube molto più densa.
Quelle particelle non arrivano quasi mai fino a noi, perché la Terra ha uno scudo invisibile: il suo campo magnetico. Avvolge il pianeta come un enorme campo di forza e devia il flusso attorno a noi, come uno scoglio che spacca in due la corrente di un fiume. Ma lo scudo ha due punti deboli - i poli - dove le linee di campo si tuffano nel terreno invece di scavalcarci sopra.
Le particelle incanalate laggiù sbattono contro l'aria a un centinaio di chilometri di quota. Colpiscono atomi di ossigeno e di azoto e ne spostano gli elettroni; quando quegli elettroni ricadono al loro posto, l'atomo restituisce l'energia sotto forma di luce. Ecco l'aurora: non luce riflessa, non fuoco, ma aria colpita abbastanza forte da illuminarsi.
Il colore è una misura di altezza. L'ossigeno colpito tra i 100 e i 200 km brilla del verde familiare. Molto più in alto, sopra i 250 km, lo stesso ossigeno brilla di rosso profondo. L'azoto, più in basso, aggiunge blu e violetto lungo il bordo inferiore delle tende. Quindi il nastro di colore nel cielo ti sta dicendo esattamente quanto in profondità nella nostra atmosfera sono riuscite ad arrivare le particelle.
Da sapere
- Le aurore accadono ai poli perché è lì che le linee del campo magnetico terrestre si tuffano nel suolo, portandosi dietro le particelle.
- Il verde viene dall'ossigeno tra 100 e 200 km, il rosso dall'ossigeno sopra i 250 km, il blu e il violetto dall'azoto sotto i 100 km.
- La Terra non ha nulla di speciale: anche Giove e Saturno hanno aurore, e Giove è così magnetico che la sua non si spegne mai.
Vento solare, riconnessione e ovale aurorale
Livello Studente — le equazioni principali
Il vento solare porta con sé il campo magnetico del Sole, e la direzione in cui quel campo punta quando arriva conta più della sua velocità. È il campo magnetico interplanetario, e la componente che decide tutto è \(B_z\), quella nord-sud.
Quando \(B_z\) punta a nord si allinea con il campo terrestre sul naso della magnetosfera e i due semplicemente si premono l'uno contro l'altro: lo scudo regge e quasi nulla entra. Quando \(B_z\) punta a sud i due campi sono antiparalleli e si riconnettono: si spezzano e si risaldano incrociati, aprendo lo scudo. L'energia del vento solare entra, carica la coda magnetica dietro di noi, e alla fine la coda scatta all'indietro sparando particelle lungo le linee di campo nell'atmosfera polare.
Il risultato non è una macchia sopra il polo ma un anello: l'ovale aurorale, centrato sul polo magnetico e tipicamente attorno ai 67° di latitudine magnetica. Man mano che la tempesta cresce l'ovale si allarga verso l'equatore, ed è per questo che un evento forte si vede dalla Scozia o dal Michigan e uno severo da Roma o dal Texas. L'attività geomagnetica si misura con l'indice \(K_p\), da 0 a 9, e ogni gradino costa circa 2-3 gradi di latitudine.
La luce stessa nasce da transizioni atomiche proibite. La riga verde dell'ossigeno atomico a 557,7 nm impiega circa 0,7 s a emettere, quella rossa a 630,0 nm oltre 100 s - ed è per questo che il rosso compare solo in alto, dove l'aria è tanto rarefatta che l'atomo eccitato non viene buttato giù dal suo stato da un urto prima di riuscire a emettere.
Formule chiave
| Riga verde dell'ossigeno | \(\lambda = 557.7\ \text{nm}\) | vita media ~0,7 s, 100-200 km |
|---|---|---|
| Riga rossa dell'ossigeno | \(\lambda = 630.0\ \text{nm}\) | vita media >100 s, sopra 250 km |
| Latitudine dell'ovale | \(\Lambda \approx 67^\circ - 2.5\,K_p\) | approssimata, bordo equatoriale |
Da sapere
- L'innesco è un campo interplanetario diretto a sud: campi antiparalleli si riconnettono alla magnetopausa diurna e aprono lo scudo terrestre.
- La riga rossa dell'ossigeno a 630 nm ha vita media oltre 100 s, quindi sopravvive solo sopra i ~250 km dove gli urti sono rari: ecco perché il rosso sta sopra il verde.
- Ogni unità di Kp spinge l'ovale aurorale circa 2-3 gradi di latitudine più lontano dal polo.
Riconnessione, ciclo delle sottotempeste e righe proibite
Livello Esperto — profondità matematica completa
La magnetosfera è un sistema aperto guidato dal ciclo di Dungey. La riconnessione diurna tra un IMF diretto a sud e il campo geomagnetico erode la magnetopausa, trasportando flusso aperto sopra la calotta polare fin dentro i lobi della coda. Il caricamento prosegue finché il foglio di plasma vicino alla Terra si assottiglia abbastanza da innescare la riconnessione in coda, a circa \(20\,R_E\) sottovento; l'energia liberata accelera elettroni verso la Terra lungo le linee di campo, e la loro precipitazione accende il bulbo aurorale della sottotempesta.
L'accoppiamento scala con il campo elettrico del vento solare, \(E_y = -v B_z\) per \(B_z\) diretto a sud: ecco perché un modesto flusso a 500 km/s con campo fortemente meridionale batte un flusso veloce con campo settentrionale. Le espulsioni di massa coronale producono gli eventi più forti perché portano insieme alta velocità e un campo interno ordinato, spesso decisamente a sud; i buchi coronali della fase discendente danno invece flussi veloci ricorrenti che generano tempeste moderate con ritmo di 27 giorni, al ritmo della rotazione solare.
L'emissione è diagnostica. Le righe dell'ossigeno a 557,7 e 630,0 nm sono entrambe transizioni proibite - \(^1S \to {}^1D\) e \(^1D \to {}^3P\) - con vite radiative di 0,7 s e 110 s. Lo spegnimento collisionale impone quindi una quota minima a ciascuna: sotto i 250 km circa lo stato \(^1D\) viene diseccitato prima di poter irraggiare, quindi il rosso manca alle basse quote per quanto duramente l'atmosfera venga colpita. Le bande del primo negativo di N\(_2^+\) a 427,8 nm, essendo transizioni permesse, marcano la penetrazione più profonda e quindi gli elettroni precipitanti più energetici.
La posta in gioco non è estetica. Le stesse correnti che accendono l'ovale inducono correnti geomagneticamente indotte nei lunghi conduttori: la tempesta del marzo 1989 fece collassare la rete dell'Hydro-Québec in 92 secondi, e l'evento di Carrington del 1859 indusse correnti capaci di far prendere fuoco alla carta dei telegrafi.
Formule chiave
| Accoppiamento col vento solare | \(E_y = -v_x B_z\) | il motore del ciclo |
|---|---|---|
| Transizioni proibite | \({}^1S \to {}^1D:\ 557.7\ \text{nm};\quad {}^1D \to {}^3P:\ 630.0\ \text{nm}\) | |
| Vite radiative | \(\tau \approx 0.7\ \text{s},\ 110\ \text{s}\) | fissano la quota di ogni colore |
| Riconnessione in coda | \(x \approx -20\,R_E\) | |
Da sapere
- Ciclo di Dungey: la riconnessione diurna apre flusso, la coda lo immagazzina, e la riconnessione in coda a ~20 raggi terrestri lo rilascia come sottotempesta.
- Entrambe le righe aurorali brillanti dell'ossigeno sono transizioni proibite: esistono solo perché l'alta atmosfera è abbastanza rarefatta da evitare lo spegnimento collisionale.
- La tempesta geomagnetica del marzo 1989 fece collassare la rete elettrica dell'Hydro-Québec in 92 secondi tramite correnti geomagneticamente indotte.