Danzando tra le stelle: lo spettacolo delle aurore

Chi ha avuto la fortuna di assistere dal vivo alle aurore polari potrà dire quanto uniche e spettacolari siano. Ma quali sono i meccanismi principali alla base dell’apparizione e dei colori dell’aurora, magnifici nastri colorati che solcano il cielo notturno?

di Fabio Giannattasio

Il Sole. Sempre lui. Anche alla base di questo incredibile fenomeno c’è il fatto che la nostra stella è un corpo estremamente dinamico. Molti fenomeni interessanti a cui dà luogo sono da attribuire all’energia immagazzinata e liberata dalla sua atmosfera e all’interazione di questa energia con il campo magnetico e l’atmosfera del nostro pianeta.

Così può accadere che dalla parte più esterna dell’atmosfera solare, la corona, vengano espulse in grande quantità particelle cariche ad alta energia (principalmente protoni ed elettroni) proiettate nello spazio in tutte le direzioni, anche verso la Terra.

Cosa accade quando le particelle di origine solare si scontrano con il campo magnetico terrestre?

Il campo magnetico terrestre si può rappresentare come una grande bolla di forma allungata, idealmente simile alla forma di una cometa, che avvolge il nostro pianeta e che viene chiamata “magnetosfera”.

Questa bolla costituisce una vera e propria barriera che protegge il nostro pianeta come uno scudo protettivo, impedendo alle particelle di entrare e raggiungere l’atmosfera, facendole fluire lungo la superficie della bolla come lungo dei binari. Tuttavia, alcune particelle riescono ad entrare nell’atmosfera terrestre in corrispondenza delle regioni polari, dove precipitando incontrano i gas presenti nell’atmosfera, per lo più  l’azoto e l’ossigeno, che inizialmente sono nel loro stato “a riposo” o “fondamentale”.

Questo incontro tra particelle solari e particelle dell’atmosfera terrestre dà vita a un meccanismo per il quale, se l’energia trasferita è sufficientemente elevata, porta gli atomi dell’atmosfera (inizialmente a riposo) ad eccitarsi, ad accendersi, rispetto allo stato fondamentale . 

Tuttavia questa nuova condizione di stato eccitato, ovvero a più alta energia, non è stabile, in quanto le particelle tendono a voler tornare nello stato fondamentale meno energetico. Per far ciò devono quindi liberarsi dell’eccesso di energia che hanno ricevuto. Lo fanno ad esempio attraverso l’emissione di onde elettromagnetiche, che nella parte dello spettro catturata dai nostri occhi, è comunemente chiamata “luce visibile”.

Cosa definisce i colori dell’aurora?

Abbiamo visto come gli atomi eccitati dalle particelle solari emettano luce nel momento in cui tornano allo stato fondamentale. Naturalmente la luce emessa dipende da vari fattori, tra cui la tipologia dell’atomo eccitato. Ad esempio, l’ossigeno emette principalmente una luce nelle gradazioni del verde-giallo, mentre l’azoto irradia una luce nelle gradazioni del rosso-viola. E questo spiega perché le aurore polari si presentano solitamente in colori dalle tonalità del verde, giallo, rosso e viola. Quindi è questo è uno dei meccanismi che definisce i colori dell’aurora!

Altri fattori che definiscono i colori dell’aurora

Ci sono altri fattori importanti che determinano i colori dell’aurora come la quota a cui questi urti avvengono. Infatti va ricordato che la composizione della nostra atmosfera non è la stessa allontanandoci dalla superficie terrestre. Pertanto, la miscela di atomi di azoto, ossigeno ed altre specie meno abbondanti (come ad esempio l’idrogeno e l’elio) varia via via che ci spostiamo in altezza. Sopra i 240 km di quota le aurore sono generate principalmente da transizioni energetiche dell’azoto, che abbiamo detto dare origine a emissioni di luce color rosso quando investito di energia di origine solare.

A quote più basse, dai 160 km circa, le aurore sono generate principalmente dalle transizioni energetiche dell’ossigeno, esibendo quindi principalmente un colore verde. Ancora più in basso, intorno ai 95 km di quota, le aurore appariranno per lo più di colore blu/viola, e dominerà il blu più in basso e il viola più in alto di questa quota. 

Altro fattore importante che determina il colore delle aurore, è l’energia delle particelle solari. Una stessa specie, ad esempio l’ossigeno, può originare aurore di diversi colori se investita da particelle a più bassa o a più alta energia. 

Il mistero dell’arancione

Tuttavia non è sempre così semplice trovare una spiegazione ai colori dell’aurora.

Recentemente per esempio sono state osservate in Canada delle aurore del tutto particolari, poiché esibivano un nastro centrale di uno spettacolare colore arancione. Eppure non dovrebbero in quanto nell’atmosfera terrestre non ci sono particelle che eccitandosi e poi rilassandosi emettono luce di quella specifica gradazione. Più precisamente, le molecole di azoto e gli ioni di azoto, nonché l’ossigeno molecolare, potrebbero in teoria produrre emissioni alle lunghezze d’onda corrispondenti al colore arancione. Tuttavia, tali emissioni dovrebbero essere molto più deboli di quelle associate ai colori tipicamente prodotti da quelle specie, sarebbero per questo motivo “nascoste”.

Un’analisi più attenta delle aurore osservate potrebbe rivelare la soluzione all’arcano. Se aurore rosse appaiono a quote più alte e aurore verdi a quote più basse, la sovrapposizione dei due colori potrebbe aver prodotto le gradazioni arancioni-gialle osservate. Infatti, si possono originare aurore rosse a quote tra i 200 e i 400 km per via dell’eccitazione degli atomi di ossigeno da parte di elettroni a bassa energia, mentre si possono generare aurore verdi a quote più basse, tra i 100 e i 150 km, per via dell’eccitazione sempre degli atomi di ossigeno da parte di elettroni a più alta energia. Nel mezzo, quindi, potrebbero essere presenti entrambi i processi e risultare in una combinazione che i nostri occhi percepiscono come aurore arancioni.

Dove si possono osservare le aurore?

Le aurore polari, come suggerisce il nome, sono visibili tipicamente ad alte latitudini. Il motivo risiede nella forma che ha il campo magnetico terrestre. Infatti in zona polare il campo magnetico è più intenso. Qui è in grado di guidare più facilmente le particelle cariche giù nell’atmosfera, dove collideranno con le particelle che costituiscono l’alta atmosfera terrestre. 

Quando l’evento solare all’origine delle aurore è particolarmente intenso, non è da escludere la possibilità di osservare aurore anche a latitudini ben più basse. E’ il caso, ad esempio, di due eventi tra i più intensi mai osservati e registrati sulla Terra. Si tratta dell’evento del Marzo 1989 che provocò un vasto blackout nella regione canadese del Quebec e quella che è passata alla storia come tempesta di Halloween a cavallo tra l’Ottobre e il Novembre del 2003. In entrambi i casi le aurore polari furono visibili anche a basse latitudini, nei cieli della Florida e di Cuba, nei cieli del Texas. Al riguardo, è possibile trovare ulteriori approfondimenti in questo post. 

A questo link pubblico dell’agenzia americana Space Weather Prediction Center è possibile consultare le previsioni a breve termine (tipicamente a 30 minuti) dell’occorrenza di aurore nei cieli polari terrestri.

Quando si possono osservare le aurore?

Le aurore si verificano tipicamente seguendo le variazioni dell’attività solare. In prossimità dei periodi di massima attività del Sole le aurore sono più comuni. E’ infatti più probabile che in questo periodo si verifichino eventi intensi di espulsione di particelle energetiche dall’atmosfera della nostra stella. Al contempo, ciò non esclude del tutto la possibilità di osservarle anche in periodi di attività solare relativamente quieti. Inoltre, i periodi migliori per osservare le aurore sono intorno agli equinozi di primavera e autunno, dove seppure le ore di buio sono ridotte rispetto all’inverno, l’orientamento reciproco tra il campo magnetico terrestre e quello di origine solare è più favorevole ad un eventuale ingresso di particelle nell’atmosfera terrestre. Dopodiché in inverno la maggiore lunghezza della notte e la sua maggiore “oscurità” favoriscono la possibilità di contemplare aurore. Ovviamente si devono scegliere notti senza luna. Insomma, i migliori periodi per godersi lo spettacolo delle aurore sono da fine Agosto – primi giorni di Settembre fino ai primi giorni di Aprile. Una grande opportunità per gli appassionati!

Non soltanto aurore

Le aurore polari non sono gli unici fenomeni che possono colorare il cielo notturno. Ne esistono altri come ad esempio i cosiddetti STEVE (Strong Thermal Emission Velocity Enhancement), che pure possono presentarsi come spettacolari nastri colorati nelle gradazioni del viola e del verde. Scoperti, come a volte accade, attraverso fotografie amatoriali del cielo tra il 2015 e il 2016, essi compaiono (non sempre) in concomitanza di aurore durante forti tempeste geomagnetiche. A differenza delle più note aurore non sono però generati dalla precipitazione di particelle cariche di origine solare nell’atmosfera terrestre. Piuttosto, questi bagliori in forma di nastro si formano dai gas dell’atmosfera, riscaldati ad una  temperatura di circa 3000 °C dalle collisioni con flussi di plasma caldo generati, ad esempio, dalle correnti elettriche che scorrono nell’alta atmosfera. Inoltre, gli STEVE compaiono tendenzialmente a latitudini più basse delle regioni aurorali. Un esempio è il Sud del Canada, il Sud dell’Alaska, il Nord Europa, la Nuova Zelanda e l’Australia.

Si possono osservare aurore polari su altri pianeti del Sistema Solare?

Già le sonde Pioneer e Voyager negli anni ‘70 e ‘80 avevano dimostrato l’esistenza di aurore sui giganti gassosi di Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Le osservazioni di Pioneer Venus Orbiter avevano mostrato poi le emissioni alle frequenze dell’ultravioletto dell’atmosfera notturna di Venere, a volte talmente intense da coprire l’intero emisfero. Altre scoperte emozionanti sono seguite all’avvento dell’era del telescopio spaziale Hubble. Ad esempio Ganimede, la luna vulcanica di Giove, è sede di aurore di colore verde con processi generativi del tutto simili a quelli terrestri.

I colori dell’aurora su Marte, Venere e Giove…

Anche Marte e Venere, che non hanno un nucleo fuso fluido come la Terra e dunque non hanno un campo magnetico globale che li avvolge, mostrano aurore, seppur molto deboli. Al contrario, le aurore di Giove sono spettacolari per intensità (fino a 30 volte maggiore di quelle osservate a Terra) e vastità (hanno un’estensione diverse volte le dimensioni della Terra). Giove, il più grande dei pianeti del Sistema Solare, è in grado di generare un campo magnetico circa 16 volte più intenso di quello della Terra. Le aurore su quel pianeta sono generate dalla compressione della magnetosfera ad opera del vento solare ad alta densità.

 … e su Saturno, Urano e Nettuno

E le aurore su Saturno non sono di certo meno spettacolari, e anche in questo caso avvengono secondo meccanismi simili a quelli che osserviamo sul nostro pianeta. Tuttavia, nel caso dei due giganti gassosi, la maggior parte dell’energia è emessa alle frequenze infrarosse dello spettro elettromagnetico e in misura minore nel visibile, nei raggi X e alle frequenze radio. Per continuare, nell’atmosfera di Urano i gas più abbondanti sono idrogeno ed elio, e le aurore sono generate principalmente alle frequenze dell’ultravioletto e del radio nello spettro elettromagnetico, risultando dunque invisibili all’occhio umano. Infine la complessa magnetosfera di Nettuno è tale da creare diverse regioni aurorali sparse nell’atmosfera del pianeta.

Pertanto le aurore esistono e sono osservate (non solo nel visibile) anche sugli altri pianeti, ciascuno con le proprie peculiarità e caratteristiche.

Intanto, chi ha la fortuna di ammirarle dal vivo nei suoi colori multiformi se le gode qui, sul nostro piccolo, blu e accogliente patrimonio da preservare chiamato Terra.