Seguramente aquellos que al menos una vez en sus vidas vieron la aurora septentrional (o meridional) con sus propios ojos dirán que esta es simplemente una vista fantástica. Un milagro de la naturaleza a escala planetaria, un fenómeno grandioso que una persona puede observar en la Tierra a simple vista. El brillo de la atmósfera a alturas de cientos y miles de kilómetros de distancia es tan colorido y dinámico que da la impresión de algo vivo, en movimiento, respirando ...
¿Pero solo nuestro planeta puede presumir de este gran espectáculo? ¿Pueden, si no los pueblos indígenas, los futuros colonos, por ejemplo, Marte o las lunas de Júpiter, observar algo así?
¿Qué se necesita para que las auroras aparezcan en cualquier planeta?
Por definición, las auroras son la luminiscencia de las capas atmosféricas superiores de los planetas con una magnetosfera debido a su interacción con las partículas cargadas del viento solar.
Entonces necesitamos:
1. El viento solar, que es una corriente de partículas cargadas - protones, electrones, núcleos de helio, etc. - Siempre existe en todo el sistema solar.
Planetas o sus satélites:
2. La atmósfera con los átomos con los cuales interactuará el viento solar.
3. Un campo magnético que dirige las partículas cargadas a una región específica del planeta (no necesariamente al polar, el ángulo entre el eje magnético y el eje de rotación del planeta puede ser significativo).
Veamos cómo funciona en la Tierra.
La tierra
La tierra puede considerarse como un gran imán, cuyo polo sur se encuentra cerca del polo geográfico norte, y el norte está cerca del sur. Las líneas geomagnéticas de la Tierra están ligeramente comprimidas desde el lado del Sol debido a la presión del viento solar y se tiran en la dirección opuesta, formando una cola magnetosférica en la Tierra.
¿Y cómo se comportan las partículas del viento solar cuando interactúan con la magnetosfera del planeta? - En el espacio cercano a la Tierra, todo sucede como con un plano supersónico. - El flujo del viento solar a velocidad supersónica (400-700 km \ seg) corre por la magnetosfera del planeta, lo que resulta en la formación de la llamada onda de choque de la cabeza. - (La velocidad del viento solar en la órbita de la Tierra es aproximadamente 10 veces la velocidad del sonido en el plasma cercano a la Tierra).
La onda de choque de la cabeza es, por lo tanto, un obstáculo magnético que desvía las partículas cargadas del viento solar a lo largo de las trayectorias alrededor del planeta. Volando sobre él, la mayoría de las partículas cargadas simplemente fluyen alrededor de la magnetosfera.
Una parte del plasma solar cae en las trampas magnéticas de los cinturones de radiación de la Tierra: es difícil que las partículas cargadas se muevan a través de las líneas de fuerza y simplemente se enrollan alrededor de ellas y pueden colgarse de polo a polo durante décadas.
Y aún parte penetra libremente en la ionosfera polar a través de las cúspides polares, áreas en forma de embudo que se expanden desde la Tierra hasta la magnetopausa, como resultado de la interacción del viento solar y el campo magnético de la Tierra.
A través de las cúspides, las partículas del viento solar "se derraman" en las capas superiores de la atmósfera del planeta en dos regiones en latitudes altas.
La magnetosfera de la tierraEstas áreas son dos óvalos (en los hemisferios norte y sur), alejados de los polos geomagnéticos en la noche en aproximadamente 20 °, y en la tarde en 10 °. La longitud de estas áreas ovales en latitud es de solo unos cientos de kilómetros.
Con una intensa tormenta magnética, el óvalo se desplaza fuertemente hacia el ecuador.
Y si durante los períodos de un sol tranquilo, la intensidad de las auroras es, por decirlo suavemente, pequeña, la materia se agrava durante la actividad solar. Las emisiones de masa coronal (plasma de la corona del sol) aumentan en gran medida la intensidad del viento solar.
Se agregan subtormentas magnetosféricas al fuego. Durante ellos, en la cola geomagnética (en el lado nocturno de la Tierra), las líneas de fuerza del campo magnético interplanetario y el campo geomagnético de la Tierra se reconectan. Como resultado, la topología de la línea cambia, la energía liberada explosivamente se convierte en una nueva corriente, llamada "chorro eléctrico". Un electrojet, entre otras cosas, calienta y acelera las partículas cargadas, convirtiéndolas en una corriente de plasma de alta energía.
Dado que el viento solar y las eyecciones de la masa coronal del Sol son principalmente protones y electrones, respectivamente, se distinguen dos tipos de auroras.
Auroras electrónicas,
causado por flujos de electrones y prevaleciente en la Tierra. Todos estos son arcos familiares de frambuesa verde o violeta, rayas radiantes, cintas, cortinas y otras formaciones que tienen una estructura bastante claramente definida.
Cómo se forman - Los electrones del plasma solar, que se rompen en las capas superiores de la atmósfera de la Tierra, descienden a alturas de 400-100 km sobre el nivel del mar. Aquí, bajo su acción, tiene lugar la ionización de gases atmosféricos neutros (oxígeno y nitrógeno), así como la excitación de sus átomos y moléculas. En respuesta a esto, las moléculas, los átomos y los iones de oxígeno y nitrógeno atmosférico emiten cuantos de luz a una longitud de onda estrictamente definida.
Esto determina el color de las auroras: por ejemplo, el oxígeno es responsable del color verde (su línea más fuerte) y del nitrógeno, violeta, azul o rojo. En general, cada aurora tiene su propia paleta de colores única, dependiendo del porcentaje en constante cambio de la composición química de la atmósfera.
Los flujos de electrones causan auroras en la Tierra, registradas no solo en el rango visible.
Raras en la Tierra, pero todavía se encuentran solo en Júpiter, son auroras de rayos X.
La aurora de rayos X más fuerte registrada el 11 de abril de 1997 por el satélite en órbita Polar. La imagen muestra rayos X (en colores convencionales) generados en la atmósfera superior y debido a los flujos de electrones de alta energía.Auroras de protones
También es un fenómeno bastante raro en la Tierra y su contribución al brillo del cielo de la Tierra es relativamente pequeña.
Los protones, que ingresan a la atmósfera de la Tierra, también chocan con moléculas y átomos de gases atmosféricos, excitándolos e ionizándolos. Pero al mismo tiempo, un protón puede capturar un electrón libre y ocurrirá un proceso de recarga. Como resultado, se forma un átomo de hidrógeno neutro, que puede emitir fotones en los rangos visible y UV.
La forma más común de auroras de protones es un arco bastante ancho, alargado en dirección de este a oeste, con un ancho de 300 a 1000 km. También hay arcos y simplemente manchas difusas.
Arco rojo de protones, Michigan
Potente aurora de protones en el rango UV. Foto del satélite IMAGENAhora veamos cómo están las cosas con las auroras en otros planetas.
Mercurio
Todo es malo
A pesar del campo magnético existente, cuya intensidad, sin embargo, es 100 veces menor que la de la Tierra, la atmósfera en el planeta está prácticamente ausente. Está tan enrarecido que las partículas del viento solar forman la atmósfera del planeta, junto con los átomos que salen de la superficie. Los átomos de la atmósfera chocan más a menudo con el planeta que entre sí.
Venus
No es tan malo como parece.
La situación frente a Mercurio es una atmósfera densa y densa y la ausencia de un campo magnético global. Pero a pesar de esto, Venus tiene una magnetosfera débil: es inducida por el viento solar en sí, y no por el planeta.
En la década de 2000, Venus Express descubrió que una cola magnetosférica, similar a la de la Tierra, se extiende detrás de Venus. En él, también, se produce una reconexión de las líneas del campo magnético. - Las líneas omnidireccionales de un plasma solar en movimiento están demasiado cerca una de la otra y están cerradas.
El viento solar, controlado por el proceso de reconexión, interactúa completamente con los gases atmosféricos de Venus. Por lo tanto, la aurora aquí no es del todo polar, o más bien, no es polar, y representa puntos ligeros y difusos de varias formas e intensidades. A veces afectan a todo el disco planetario. Especialmente claramente visible en el lado nocturno del planeta.
Marte
Tampoco hay un campo magnético global en Marte, sin embargo, hay una magnetización local residual de la corteza, especialmente en las tierras altas del hemisferio sur.
La atmósfera de Marte es delgada y enrarecida, que consiste principalmente en dióxido de carbono. Al interactuar con los electrones del viento solar, que se acelera a lo largo de las líneas de los campos magnéticos locales, se pueden observar auroras de electrones ultravioleta raras y a corto plazo.
El 14 de agosto de 2004, dicho fenómeno fue registrado por el instrumento SPICAM a bordo de la estación orbital Mars Express en la región de tierra cimmeria. El tamaño total de la región radiante era de unos 30 km de ancho y unos 8 km de altura.
Campos magnéticos locales de MartePero las auroras de protones, registradas por primera vez durante una tormenta solar del 12 al 13 de septiembre de 2017 por el orbitador MAVEN, son diferentes a las más poderosas y globales. Pueden cubrir casi todo el planeta.
Marte está rodeado por una extensa corona de hidrógeno neutro. Los protones del viento solar, que se sometieron al proceso de recarga en la corona, penetran en forma de átomos neutros a través de la onda de choque de la cabeza (solo contiene partículas cargadas) e interactúan con átomos y moléculas de gases atmosféricos en la termosfera inferior (a altitudes de 110-130 km), generando radiación ultravioleta. .
El nivel de radiación en la superficie de Marte, registrado durante esta tormenta solar por el rover Curiosity, rompió todos los primeros registros, excediendo casi dos veces sus lecturas.
(Curiosity tiene un dispositivo de este tipo: "Detector de evaluación de radiación" o RAD. Recopila datos para estimar el nivel de radiación de fondo que afectará a los participantes en futuras expediciones a Marte. El dispositivo está instalado casi en el "corazón" del vehículo, simulando a una persona dentro del espacio barco).
Entonces, durante las tormentas solares, los colonos en Marte están mejor escondidos en algún lugar.
Los datos ultravioleta se superponen en la imagen de Marte en el lado nocturno antes (izquierda) y durante (derecha) del evento. La radiación auroral parece ser la más brillante en el borde de la imagen del planeta a lo largo de la línea de la capa luminosa de la atmósfera.Gigantes gaseosos
Los cuatro planetas gigantes del sistema solar tienen todo para la apariencia de auroras: atmósferas poderosas y fuertes campos magnéticos.
Una característica desagradable de las observaciones de la Tierra (y generalmente de las regiones internas del Sistema Solar) de los planetas gigantes es que se enfrentan al observador con el lado iluminado por el Sol. Por lo tanto, en el rango visible, sus auroras se pierden en la luz solar reflejada.
Sin embargo, las auroras en otros rangos electromagnéticos pueden ser "detectadas". - La radiación UV de atmósferas de gigantes ricas en hidrógeno es registrada por el telescopio espacial Hubble. El alcance de rayos X vuelve a ser captado por el telescopio espacial Chandra. Y el infrarrojo detecta incluso el Subaru terrestre.
Sistema de Júpiter
¿Necesito decir que el planeta más grande del sistema solar tiene las auroras más poderosas? Además, a diferencia de la Tierra, las auroras de Júpiter son permanentes.
También una característica sorprendente de los aurores de Júpiter es que surgen no solo por el viento solar, sino también por los flujos de partículas emitidos por los satélites del planeta: Io, Ganímedes y Europa (también se observan auroras en estos satélites).
La presencia de Io se ve particularmente afectada, ya que este satélite es volcánicamente activo y tiene su propia ionosfera.
Júpiter Aurora Boreal. Tiro combinado de Hubble, rango visible y UV.Little Io juega un papel importante en la formación del campo magnético del gigante Júpiter. - Sus volcanes emiten a la atmósfera una masa de azufre ionizado y neutro, oxígeno, cloro, sodio y potasio atómicos, dióxido de azufre molecular, así como polvo de cloruro de sodio. Toda esta sustancia es extraída por la magnetosfera de Júpiter de la delgada atmósfera de Io a una velocidad de 1 tonelada por segundo.
Además, dependiendo de la ionización, esta materia desaparece en una nube neutra enrarecida alrededor del satélite (una mancha amarilla en la figura) o en un toro de plasma que rodea a todo Júpiter (la región roja también está allí).
Esquema de la magnetosfera de Júpiter y los efectos de Io: toro de plasma (rojo), nube neutra (amarillo), tubo de flujo (verde) y líneas de campo magnético (azul)¿Y cómo afecta Io a las auroras de Júpiter? Resulta que parte del gas ionizado que el planeta "roba" de su satélite se dirige a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético a sus polos (anillo vertical verde en la figura anterior). Resulta, por así decirlo, un tubo que conecta Io y las regiones polares de Júpiter, a través del cual se bombean partículas cargadas allí. Como resultado, se forma una "huella" de Io en la atmósfera de Júpiter: una mancha auroral, que sigue la rotación del satélite con cierto retraso.
Animación creada a partir de imágenes del telescopio espacial Hubble, primavera de 2005. El rastro de Io es visible a la derecha.De manera similar, pero en mucho menor medida, los aurores de Júpiter se ven afectados por dos de sus otras lunas: Europa y Ganímedes. Sus puntos aurorales calientes se forman debido a los iones altamente cargados de oxígeno, azufre y, posiblemente, carbono, que intercambian cargas activamente.
Los puntos aurorales o calientes (en luz ultravioleta) de Io, Ganímedes y Europa son rastros de líneas de fuerza magnéticas que conectan las ionosferas de los satélites con la ionosfera de Júpiter.
Se cree que los puntos brillantes dentro de los anillos principales, que aparecen de vez en cuando, están asociados con la interacción de la magnetosfera y el viento solar.
Las auroras norte y sur de Júpiter. Fotos del planeta y fotos de las auroras tomadas por varios instrumentos del telescopio Hubble (alcance visible y ultravioleta).Las auroras de rayos X de Júpiter son extremadamente interesantes. - En primer lugar, Júpiter es el único gigante gaseoso en el sistema solar que tiene auroras de rayos X. En segundo lugar, a diferencia de la Tierra, donde las auroras en los polos norte y sur son casi una imagen especular entre sí, la radiación en los polos de Júpiter es "no sincronizada": las auroras sur y norte se comportan de forma independiente y cambian su intensidad de manera diferente.
Además, la radiografía de Júpiter late. En el polo sur, cada 11 minutos, pero en el polo norte, la aurora es inestable y cambia su actividad de forma independiente y con una frecuencia diferente, en diferentes períodos de tiempo, de 12 a 26 e incluso de 40 a 45 minutos.
Las razones de tal falta de sincronización y ondulación aún no están claras.
Auroras de rayos X en los hemisferios norte y sur de Júpiter. Datos satelitales de rayos X XMM-Newton y ChandraY otra pregunta: ¿cómo dota Júpiter a las partículas en su magnetosfera de enormes energías necesarias para crear una corriente constante de rayos X?
Se supone que el planeta acelera los iones de oxígeno a energías increíblemente altas que, cuando chocan con la atmósfera a una velocidad de mil kilómetros por segundo, pierden los ocho electrones. Las observaciones futuras de Chandra, XMM-Newton y la estación de Júpiter Juno deberían revelar la naturaleza de este proceso.
Foto combinada de rayos X del Hubble y Chandra
Foto + reconstrucción de la aurora en el rango visible sobre el polo norte de Júpiter a partir del aparato "Juno". La estación orbital de Júpiter permite observar el lado oscuro del planeta. 18 de diciembre de 2018.
Una imagen infrarroja de la aurora en el Polo Sur de Júpiter con el telescopio Subaru.
Los gases que interactúan con el viento solar en la atmósfera superior se calientan, como en la Tierra. Sin embargo, el calentamiento de la atmósfera joviana ocurre dos o tres veces más profundo que en la Tierra, alcanzando el nivel más bajo de la estratosfera.Bueno, uno no puede dejar de notar
Ganímedes , el satélite más grande del sistema solar y el único con su propia magnetosfera. Es muy pequeño y está inmerso en la magnetosfera de Júpiter. Sin embargo, la presencia de Ganímedes también tiene una atmósfera de oxígeno débil y causa la presencia de auroras ultravioleta.
Observando las auroras de Ganímedes (y dependen de los cambios en el campo magnético de Júpiter, mientras que las auroras en Ganímedes parecen "balancearse"), los científicos llegaron a una conclusión sorprendente: debajo de la corteza de Ganímedes, se contiene una gran cantidad de agua salada y afecta su campo magnético.
La presencia del océano salado crea un campo magnético secundario, que le permite resistir la influencia de Júpiter. Esta "fricción magnética" de alguna manera suprime el balanceo de las auroras. En la práctica, la oscilación de las auroras se reduce a 2 grados (en lugar de 6 grados, lo que se observaría si el océano no existiera).
Según los científicos, la profundidad del océano es de 100 kilómetros, es decir, es aproximadamente 10 veces más profunda que los océanos de la Tierra. Es cierto que el océano Ganímedes está enterrado bajo una capa de hielo de 150-170 km.
Foto combinada del Hubble en rangos visible y UV + visualización de Ganímedes.
Sistema de Saturno
Saturno también tiene auroras, ¿a dónde van?
Aquí Enceladus está activo "volcánicamente", la región polar sur de la cual arroja activamente fuentes de vapor de agua con partículas de hielo a la atmósfera que rodea el satélite. Estas emisiones alcanzan varios cientos de kilómetros e incluso se convierten en parte del anillo E, en el que Encelado gira.
Una parte de este vapor de agua se ioniza y en el volumen de 100 kg por segundo repone la magnetosfera de Saturno con varios hidro, hidrógeno, oxígeno y otros iones y radicales.Sin embargo, no son suficientes para inflar la magnetosfera gigante al tamaño de Júpiter. Por lo tanto, las auroras en Saturno dependen mucho más fuertemente que en Júpiter de la intensidad del viento solar. En esto son similares a los terrenales.
Aurora del norte de Saturno, capturada por Cassini en el infrarrojo (4 micras, azul). Las nubes que se encuentran debajo están coloreadas en rojo condicional (5 micras). Una nube hexagonal descubierta anteriormente es visible justo debajo de las luces.Las auroras en Saturno, así como en la Tierra, forman anillos cerrados o incompletos alrededor de los polos magnéticos.« . — , . 2013 ., , — , », — (Jonathan D. Nichols) .
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«».Gracias a la capacidad de Cassini para observar objetos en luz visible, los científicos pudieron descubrir los colores de las auroras en Saturno. Mientras que los Aurores en la Tierra tienen colores verdes más cerca de la superficie y rojos en la parte superior, las cámaras de la sonda mostraron que las auroras en Saturno tienen colores rojos más cerca del centro del planeta y morados en la atmósfera superior.Una aurora particularmente brillante en Saturno, tomada a corta distancia por la misión Cassini el 29 de noviembre de 2010. El resplandor desciende de la superficie del planeta (ocupando la parte superior de la imagen) durante 1400 km. Las líneas discontinuas indican paralelos y meridianos, los guiones en la parte inferior de la fotografía son estrellas.
Urano y Neptuno
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Y dado que los gigantes de hielo no tenían misiones orbitales, en el caso de Urano, la primera aurora se registró solo en 2011.Aurora en Neptuno aún no ha sido atrapada por telescopios. La Voyager 2 observó auroras en la atmósfera de Neptuno: estaban dispersas por todo el espacio (y no solo en las áreas ovales alrededor de los polos). También se observaron aurores en Tritón.
Auroras de Urano capturadas por el espectrógrafo UV Hubble en 2011, 2012 y 2014.