¿Cómo se forman las auroras?

Aunque a latitudes tropicales es difícil verlas, el espectáculo de las auroras ha fascinado a la humanidad desde siempre. Los habitantes antiguos de lugares muy al norte y muy al sur del planeta crearon mitos y generalmente las asociaron con espíritus o deidades celestiales; se les temía y se les admiraba al mismo tiempo, supongo que por sus repentinas apariciones y sus hermosos y brillantes colores.

Pero actualmente siguen captando nuestra atención, aunque de manera distinta, por un lado se han convertido en espectáculos naturales que miles de personas sueñan con presenciar y por otro, los científicos trabajan en explicar sus causas. Sin embargo, hoy en día sabemos que los fenómenos físicos alrededor de las auroras tienen implicaciones muy cercanas para la vida cotidiana de los humanos y la rama o área del conocimiento en la cual ahora las integramos le llamamos «el clima espacial».

La historia de las auroras la podemos comenzar a 150 millones de kilómetros, en la superficie del Sol, cuando erupciones de plasma, electrones y protones libres a temperaturas extremadamente altas, salen empujados con gran fuerza desde ciertas regiones de nuestra estrella. Estas tormentas solares soplan a lo largo del Sistema Solar y si tienen dirección hacia nosotros y conservan energía y masa suficiente interaccionan con nuestro planeta, primero, a través del campo magnético terrestre y luego ionizando y haciendo brillar el aire de las capas altas de la atmósfera, entre 100 y 400 km.

Así se producen las auroras, boreales en el norte y australes en el sur.

Sin embargo, aún desconocemos muchos de los procesos particulares que llevan a la formación de este espectáculo natural. Tenemos una gran cantidad de preguntas sobre el origen de las erupciones en el Sol, sobre el viaje del material a través del espacio, sobre su arribo a la Tierra y desde luego sobre su interacción con el aire.

Uno de los modelos propuestos para explicar los llamados arcos aurorales discretos, el tipo más común de aurora, sugiere que las poderosas ondas magnéticas, llamadas ondas de Alfvén, aceleran los electrones solares que entran por el campo magnético de la Tierra, para luego chocar con las moléculas de oxígeno y nitrógeno en las delgadas capas de aire de la atmósfera superior, que ocasionan que las moléculas emitan la luz auroral.

El proceso tiene sus complicaciones, porque una intensa tormenta geomagnética dispara un fenómeno conocido como reconexión magnética, en la parte posterior de la cola magnética, un lugar en el que las líneas de campo se rompen y regeneran, regresando hacia la Tierra debido a la tensión magnética.

Este proceso lo podemos entender mejor con el siguiente ejemplo.

Nuestro planeta es como un enorme imán, tiene un núcleo de hierro fundido que al girar actúa como un dínamo, generando un campo magnético cuyos polos, lo sabemos bien, están actualmente muy cerca de los ejes de rotación de la Tierra. Hasta aquí todo bien, nuestro planeta se parece a un enorme imán.

Luego, en la escuela hicimos o vimos el experimento en el que poníamos una hoja de papel sobre un imán y encima esparcíamos limaduras de hierro. Inmediatamente se formaban unas curiosas líneas que iban de un extremo del imán al otro. Si este era muy intenso, las líneas de limaduras quedaban muy bien marcadas y parecían como fuentes que iban de un polo al otro. ¿Qué hace que las limaduras sigan esas y solo esas franjas en el papel? El campo magnético.

Regresando al caso de la Tierra, también aquí se genera un campo y también tenemos líneas que marcan los caminos que sigue la materia cargada eléctricamente alrededor de nuestro planeta.

Similar a una liga o banda elástica que se estira y se estira hasta que se rompe, de la misma forma se comportan las líneas de campo magnético terrestre. En el proceso, en el «rebote» de las líneas, se producen las llamadas ondas de Alfvén, que viajan de regreso a la Tierra a altas velocidades y aceleran los electrones solares que se encuentran a su paso.

Estos electrones «surfean» eficientemente en el campo eléctrico de la onda de Alfven, ganando velocidad a través de un mecanismo conocido como amortiguamiento de Landau, en el que la energía de la ola es transferida a los electrones.

Sin embargo, las demostraciones experimentales de cómo se aceleran los electrones por la ondas de Alfvén hacia la Tierra no han sido concluyentes ni definitivas… hasta ahora.

En un artículo reciente publicado en la revista Nature Communications, un equipo de investigadores de la Universidad de Iowa, Wheaton College (IL), UCLA, y el Space Science Institute han publicado los resultados de sus experimentos con el Large Plasma Device (LAPD) bajo condiciones similares a la magnetosfera de la Tierra.

En el experimento, el equipo utilizó instrumentos especialmente diseñados para lanzar ondas de Alfvén por la cámara del LAPD, a lo largo de 20 metros y luego medir los electrones acelerados por el campo eléctrico. Uno de los grandes desafíos para los científicos fue la baja densidad de electrones acelerándose, llegando a ser apenas uno en mil. Estos electrones desarrollaron una aceleración resonante de las ondas del campo eléctrico, en forma análoga a un surfista que monta una ola y se acelera continuamente. Precisamente, el fenómeno de los «electrones surfenando» sobre el campo eléctrico es conocido como amortiguamiento de Landau.

Simulaciones numéricas por computadora y el modelado matemático que complementaron el experimento mostraron una clara concordancia entre la firma de la aceleración de electrones medida en el laboratorio, con las predicciones teóricas del amortiguamiento de Landau. El acuerdo entre experimentos, simulaciones y modelos proporciona la primera prueba directa que muestra que las ondas de Alfven producen electrones acelerados que causan las auroras.

La zona del espacio cercano a la Tierra, por debajo de los 20,000 km, donde se producen estos fenómenos tiene un interés tecnológico muy importante porque ahí se ubican una gran cantidad de aparatos electrónicos: los satélites de comunicación y de navegación. Si una tormenta solar extraordinaria llega hasta la Tierra y desata constantes reconexiones magnéticas, la cantidad de electrones atravesando el espacio puede provocar fatales corrientes que afectarán a los instrumentos en el espacio. Aún más, las corrientes pueden atravesar la atmósfera y llegar a la superficie terrestre, dañando también los tendidos eléctricos de ciudades o países completos.

Esto último ha ocurrido muchas veces en el pasado reciente, pero con certeza de haberlo registrado, el Evento Carrington en 1859 y la tormenta geomagnética de marzo de 1989 son probablemente los más conocidos. En el primero, los tendidos telegráficos en varios puntos de Estados Unidos estallaron e hirieron a varios operadores, mientras que en el más reciente, de 1989, seis millones de personas en Quebec, Canadá, se quedaron sin energía eléctrica por el daño en los cables y transformadores de la empresa Hydro-Quebec.

De estos dos hechos les platicaré en un futuro.

Por lo pronto, podemos añadir una pieza más al complejo rompecabezas que implica nuestro conocimiento de la interacción Sol-Tierra. Entre el deleite por presenciar auroras y el potencial de prevenir o minimizar los riesgos por una tormenta geomagnética, poco a poco vamos conociendo la naturaleza del clima espacial, donde el principal actor es. definitivamente, nuestra estrella.

Esta entrada la puedes encontrar en el podcast: ¿Cómo se forman las auroras?

Referencias: