Perché le aurore sono verdi o rosse? La fisica dei colori nel cielo

Dal Sole alla nostra atmosfera

Come può una tenda luminosa diventare verde in basso e rossa più in alto? Non sono pigmenti sospesi nel cielo: l’atmosfera produce luce. Per capire i colori bisogna seguire un passaggio di energia, dal Sole allo spazio vicino alla Terra e infine ai gas sopra di noi.

Il Sole emette continuamente il vento solare, un flusso di particelle dotate di carica elettrica. Questo flusso interagisce con la magnetosfera, la regione dello spazio dominata dal campo magnetico terrestre. L’energia può accumularsi e poi essere trasferita alle particelle: non è quindi una semplice pioggia che attraversa indisturbata lo spazio e arriva al suolo.

Le aurore più familiari sono prodotte soprattutto da elettroni accelerati. Seguendo il campo magnetico verso le regioni polari, incontrano l’alta atmosfera e cedono energia a ossigeno e azoto. La luce che osserviamo viene emessa da quei gas, molto sopra le normali nubi meteorologiche.

Un atomo può restituire energia come luce

Quando un atomo riceve energia, può passare a uno stato detto eccitato. Non significa che si scaldi come una brace: cambia la sua configurazione elettronica. Tornando a uno stato di energia più bassa, può emettere un fotone, cioè una quantità elementare di luce.

Il colore dipende dall’energia del fotone emesso. Lo stesso elemento può avere più passaggi possibili fra stati diversi e dunque produrre più colori. Perciò l’equazione intuitiva «un gas, un colore» non funziona: due zone rosse e verdi non dimostrano, da sole, la presenza di due elementi differenti.

Verde e rosso: due risposte dell’ossigeno

Il verde più caratteristico è legato all’ossigeno atomico, cioè ad atomi separati, e a luce con lunghezza d’onda vicina a 557,7 nanometri. Il nanometro è un miliardesimo di metro: qui serve a descrivere la luce, non la dimensione della tenda aurorale.

Anche un’importante emissione rossa viene dall’ossigeno, attraverso un altro passaggio energetico. L’azoto molecolare e le sue forme ionizzate contribuiscono invece a emissioni blu e rossastre che possono dare bordi viola o rosa. Ionizzato significa che il sistema ha perso o acquistato elettroni e possiede una carica netta. Più emissioni sovrapposte rendono la tavolozza meno semplice di un elenco di colori puri.

Perché la quota cambia il colore

Un atomo eccitato non emette sempre immediatamente. Per l’emissione verde dell’ossigeno il tempo caratteristico è dell’ordine di un secondo; per quella rossa è dell’ordine di un centinaio di secondi. Sono tempi medi, non piccoli cronometri identici per tutti gli atomi.

Nel frattempo può avvenire un altro urto. Se l’energia viene ceduta in quella collisione, il fotone atteso non parte. Più in basso, dove il gas è più denso, gli urti sono frequenti: il lento passaggio che produce il rosso viene facilmente interrotto. Più in alto, nell’aria rarefatta, ha maggiori possibilità di completarsi.

Ecco perché il rosso dell’ossigeno si osserva tipicamente oltre circa 200 chilometri, mentre il verde risalta a quote inferiori, attorno a un centinaio di chilometri. Sono indicazioni fisiche, non confini rigidi di strati colorati: distribuzione dei gas ed energia delle particelle cambiano da un evento all’altro.

Perché si formano archi e tende

L’aurora boreale e quella australe appartengono allo stesso tipo di fenomeno, nei due emisferi. La loro distribuzione è legata soprattutto a ovali attorno ai poli magnetici, che non coincidono con quelli geografici. Non basta quindi immaginare un punto luminoso esattamente sopra ciascun polo.

Gli archi possono sviluppare raggi, pieghe e onde, modificandosi rapidamente. Quando l’attività geomagnetica cresce, gli ovali possono espandersi verso latitudini più basse. Per vedere il fenomeno contano poi buio e nubi: un’aurora presente sopra una copertura nuvolosa può restare nascosta all’osservatore. Un cielo sereno, da solo, non garantisce invece che ci sia un’aurora.

La fotografia: un’aurora australe vista dall’alto

L’immagine in apertura fu scattata il 29 maggio 2010 dall’equipaggio della Spedizione 23 della Stazione Spaziale Internazionale, sopra l’Oceano Indiano meridionale. Il nastro verde si estende sopra le nubi; sullo sfondo compaiono lo spazio scuro e il bordo curvo della Terra.

La scheda della fotografia identifica lo scatto ISS023-E-58455 e documenta ritaglio, miglioramento del contrasto e rimozione di artefatti ottici nella versione editoriale. È una fotografia reale con elaborazioni dichiarate, non un’immagine generata né una misura completa di tutti i colori presenti nell’aurora.