Luz sobre el viento solar: simular las auroras en clase Teach article

Traducido por José L. Cebollada. Las auroras son una de las maravillas de la naturaleza. Con aparatos sencillos podemos reproducir en el aula las auroras y otros fenómenos.

Las auroras son fenómenos sorprendentes que se pueden ver en las regiones polares, donde el aire de de las capas altas de la atmósfera brilla resplandeciente por la noche. Se conocen como auroras boreales (Polo Norte) y australes (Polo Sur). En este artículo explicaremos cómo se forman las auroras y describiremos cuatro actividades con las que podemos simular auroras y otros procesos con alumnos de 14-16 años.

Quizás suene extraño, pero la causa última de las auroras no está en la atmósfera terrestre sino en el Sol. El Sol –nuestra estrella- libera energía al espacio de dos maneras: como radiación, de la que vemos la parte visible cada día; y mediante el viento solar, que es invisible pero que genera las auroras cuando interacciona con las capas altas de la atmósfera. El viento solar está formado por partículas cargadas –electrones e iones, fundamentalmente de hidrógeno (protones)- y tiene propiedades que no son fijas. La velocidad está comprendida en un rango entre decenas de kilómetros por segundo hasta varios miles; y su densidad es de unos pocos (alrededor de 5) electrones y protones por centímetro cúbico cuando llega a la distancia a la que nos encontramos del Sol.

El viento solar, como está formado por partículas cargadas, interacciona con los campos magnéticos. Una de las consecuencias es que gran parte de partículas de viento solar que se acercan a la Tierra son atrapadas por el campo magnético terrestre (figura 1) y dirigidas hacia los polos magnéticos; estas partículas cargadas forman el llamado cinturón de Van Allen.

El cinturón de Van Allen está en su mayor parte, bastante separado de la superficie de la tierra (en el Ecuador, a unos 45000 km). Sin embargo en los polos, se introduce en la atmósfera a una altitud de unos 80-500 km donde el aire es muy poco denso (la presión es de apenas unas décimas de pascal).

¿Cómo se producen las auroras? Las colisiones de las partículas del viento solar ionizan los átomos de la atmósfera (arrancando uno o más electrones) o los excitan (cuando tras la colisión aumenta el nivel de energía de un electrón pero no consigue arrancarlo) y se vuelven inestables.

Para volver a su estado fundamental tienen que reaccionar químicamente o liberar el exceso de energía en forma de luz. Cuando este proceso emite luz visible le llamamos aurora. Vistas desde el espacio, las auroras boreales y australes forman un anillo llamado aurora oval, que muestra la región del cinturón de Van Allen se introduce en la atmósfera (ver la imagen de la izquierda).

Conocemos bien las auroras en la Tierra pero no sólo existen en nuestro planeta: los astrónomos han observado auroras en otros planetas del sistema solar, sobre todo en Júpiter y Saturno e incluso en Marte, debido a anomalías magnéticas.

El experimento crucial

El científico noruego Kristian Olav Birkeland (1867-1917) fue el primero que utilizó una pequeña esfera imantada conocida como ‘terrella’ (pequeña tierra) para demostrar el mecanismo de las auroras. En una campana de vacío un cátodo que representa el Sol produce una corriente de electrones (el viento solar, aunque los electrones son sólo uno de los componentes del viento), mientras que la ‘terrella’ (ánodo) está expuesta al viento solar y actúa como un planeta u otro objeto del Sistema Solar. El montaje puede variar, como se detalla debajo, para demostrar diferentes fenómenos físicos.

El aparato se puede construir con materiales habituales en los laboratorios de los institutos y requiere unas 10 horas de trabajo. El montaje general se muestra en la figura 2; puedes descargar las instrucciones sobre los materiales y el montaje^w1 de la web de Science in School.

Actividad 1: Simular auroras y el cinturón de Van Allen

En este experimento, similar al de Birkeland, vamos a simular las auroras y el cinturón de Van Allen. En el montaje, el electrodo suspendido de la parte superior es el cátodo, representa al Sol y genera una corriente de electrones (figura 2). La esfera magnética es el ánodo que representa la Tierra y su eje magnético sería perpendicular a la corriente de electrones.

Los electrones (el ‘viento solar’) son atraídos hacia la esfera y la rodean (‘Tierra’, el ánodo). Chocan con el gas porque la campana no tiene un vacío perfecto y podemos ver ese resplandor alrededor de la esfera. Los electrones se mueven hacia los polos de la esfera describiendo circunferencias, siguiendo las líneas de campo; observaremos un anillo brillante alrededor de cada polo (figura 3).

¿Qué relación hay entre el experimento y la realidad? La luz alrededor de la esfera representa el cinturón de Van Allen aunque en realidad sólo es visible en los polos, donde coincide con la atmósfera terrestre. En el experimento vemos nuestro ‘cinturón de Van Allen’ a lo largo de todo el campo magnético terrestre porque hay moléculas de gas en toda la campana.

Los anillos brillantes alrededor de cada polo representan las auroras ovales. Al igual que en la realidad, la causa es la colisión de los electrones con las partículas de gas (recuerda que las líneas de campo magnético están más juntas en los polos.

Sin embargo, los colores de nuestro experimento difieren de los que se pueden ver en las auroras boreales y australes. Los colores más brillantes en las auroras terrestres (verde y rojo) se deben al oxígeno atómico, que sólo está presente en las capas altas de la atmósfera. Los colores de nuestra simulación (púrpura, rojo, rosa y blanco) pueden verse en auroras en zonas de poca altitud, donde abunda el oxígeno y el nitrógeno en forma molecular. Estos colores se pueden ver unas pocas veces por década cuando el viento solar entra en la atmósfera a mucha velocidad.

Actividad 2: demostración de la fuerza de Lorentz

En el experimento anterior, la esfera era el ánodo y representaba a la Tierra y el otro electrodo representaba a una estrella (el Sol). En este caso vamos a cambiar los electrodos; la esfera será el cátodo para ver el efecto del viento solar alrededor de una estrella. Así veremos un anillo brillante alrededor de ecuador de la ‘estrella’ (figura 4).

¿Qué sucede? Los electrones orbitan alrededor del Ecuador magnético de la esfera por efecto de la fuerza de Lorentz (también conocida como fuerza de Laplace), que aparece cuando una partícula cargada se mueve en un campo magnético. La fuerza es perpendicular a la dirección del movimiento y al campo magnético y hace que la partícula describa círculos perpendiculares a las líneas del campo. Así se crea un anillo circular de corriente alrededor de la estrella.

¿Qué relación hay entre el experimento y la realidad? El Sol no tiene un anillo de corriente porque su campo magnético no es suficientemente intenso. Es posible que existan alrededor de estrellas con campos más intensos, pero no pueden ser observados con la tecnología actual de telescopía porque las estrellas son mucho más brillantes de lo que serían sus anillos.

Actividad 3: Crear una aurora en el Sol

En este experimento vamos a ir más allá de lo que se puede observar en la naturaleza y vamos a crear una aurora en el mismo Sol. De nuevo, colocamos la esfera como cátodo, esta vez aumentaremos el campo magnético usando un imán más potente y una esfera de paredes más finas (nosotros usamos una bola de árbol de Navidad). Una vez puesto en marcha observamos que los electrones emergen del ‘Sol’ pero parte de este ‘viento solar’ vuelve al Sol siguiendo las líneas de campo magnético, formando un círculo de luz en el polo, en la zona más próxima al ánodo, como se puede ver en la figura 5.

Pero, ¿es así en realidad? Con lo que conocemos del Sol y del viento solar los científicos sostienen que debería existir una aurora alrededor del Sol pero que no podemos observarla porque el Sol es demasiado brillante y está demasiado alejado.

Actividad 4: simular el Sol y la Tierra

Hasta ahora habíamos simulado o el Sol o la Tierra, por separado, representando el otro cuerpo por un simple electrodo. Pero podemos representar los dos con esferas. En esta actividad vamos a colocar dos esferas magnéticas en la campana de vacío (figura 6) para demostrar algunos fenómenos relacionados con la interacción entre la Tierra y el Sol. Para el Sol usaremos la esfera de la actividad 3 (una bola de árbol de Navidad con un imán en el interior) como cátodo y para representar la Tierra un imán esférico más pequeño, el ánodo.

Vemos un resplandor alrededor del ‘Sol’ (figura 7A) similar al que hemos obtenido alrededor de la ‘Tierra’ en la actividad 1. Sin embargo ahora el brillo representa la corona solar. La corona es la expansión del viento solar que abandona la estrella y sólo es visible desde la Tierra durante los eclipses solares; el resto del tiempo el brillo solar nos impide verla. En realidad, la formación de la corona solar depende no sólo del viento solar, también de la temperatura y de la configuración magnética del Sol, así nuestra ‘corona’ es más una analogía que una simulación.

El viento solar simulado viaja desde el Sol (figura 7A) a través del espacio hasta la Tierra (B). Allí, como en la actividad 1 provoca un envoltorio alrededor del planeta (el cinturón de Van Allen), así como anillos brillantes en los polos (las auroras ovales). En la figura 7 la aurora boreal ovalada (C) es claramente visible y la aurora del sur, austral, está parcialmente oculta por el propio montaje.

Podemos ver algunas nubes de luz en las auroras ovales (figures 7D, E y F). Esas erupciones existen realmente, y se denominan cúspides polares. En nuestra simulación son el resultado de los campos magnéticos de dos esferas que están relacionadas: los electrones viajan a través de las líneas de campo. En realidad la explicación es un poco más complicada: los campos magnéticos del Sol y de la Tierra no están conectados entre sí, pero están relacionados a través del campo magnético interplanetario que queda sumergido en el viento solar.

En realidad las auroras ovales son más brillantes que las cúspides polares, al revés de como sucede en nuestra simulación Esto es debido a la aceleración de las partículas cargadas que causan las auroras ovales aumenta al entrar en el campo magnético terrestre, que aumenta la energía y la velocidad de las partículas haciendo que brille la aurora. En la simulación los electrones viajan a velocidad constante.