Se necesita otro detalle, un proceso llamado reflexión sin el cual la Tierra no podría tener ni aurora ni cinturón de radiación

    Los cinturones de radiación fueron descubiertos por los primeros satélites artificiales americanos, el Explorer 1 y el Explorer 3. En octubre de 1957 la Unión Soviética impresionó a los Estados Unidos al lanzar inesperadamente sus dos satélites "Sputnik" mientras que el "Vanguard," la entrada estadounidense a la carrera espacial, estallaba en llamas durante el lanzamiento a la entera vista de las cámaras. El disminuido prestigio de los Estados Unidos fue redimido un poco al comienzo de 1958 cuando instrumentos a bordo de los satélites en el espacio, diseñados y operados por el grupo de la Universidad de Iowa dirigido por James Van Allen, detectaron un cinturón permanente de iones atrapados rodeando la Tierra. Se reveló que eran protones - núcleos atómicos de átomos de hidrógeno despojados se su único electrón.

    Se afirmó anteriormente que los electrones o protones tendían a ser guiados por líneas de campo magnético como cuentas en un hilo. Los que guiaron las partículas del cinturón de radiación tienen una forma típica - salieron de la región polar meridional de la Tierra, describieron un gran arco a través del ecuador y regresaron a la Tierra cerca del polo norte.

    Pero si la analogía de las cuentas en el hilo fuese completa - ¿se deslizarían las partículas atrapadas hasta el final de estos cables, luego golperían la Tierra y se perderían? Esto es bastante cierto - salvo que la analogía no es perfecta. El final de estas líneas también experimenta una fuerza magnética mucho más fuerte al estar mucho más cerca de la Tierra que otras partes y esta es la razón por la cual estas cuentas son repelidas. Al ser repelidas de la región de la fuerte fuerza magnética evitan que los iones y electrones atrapados alcancen la atmósfera. En lugar de ser absorbidos son "reflejados" de aquí para allá - en algunos casos, ¡por años!

    El mismo proceso es también esencial para la aurora. Mencionamos anteriormente que existen abundantes corrientes eléctricas que fluyen a lo largo de líneas de campo magnético desde la estela hasta las regiones polares y regresan de nuevo en dirección de la Tierra en el lado matutino de la medianoche y que salen en el lado vespertino (esto en lo que se refiere al circuito principal - un circuito secundario también existe). Un mapa de estas corrientes fue primeramente trazado en 1973 por dos científicos estadounidenses, Al Zmuda y Jim Williamson - no con la ayuda de una misión de investigación espacial bien organizada, pero utilizando un pequeño experimento que voló a cuestas de un satélite de navegación militar de la Marina de los EEUU. Estas corrientes se conocen ahora como las "corrientes de Birkeland", en honor al noruego quien fue el primero en proyectar rayos de electrones sobre un imán en el vacío.

    Las corrientes a lo largo de las líneas de campo magnético se nos revelan como cargadas casi completamente por electrones -- que descienden hacia el lado oeste de la median oche de la tierra elevándose de nuevo al este del mismo (siendo negativos, su flujo se opone al de la corriente). A la luz de lo que hemos mencionado poco antes acerca de la "fuerza espejo", la cual repele las partículas atrapadas de las regiones de intenso campo magnético, uno puede preguntarse cómo esta fuerza afecta el flujo de electrones que lleva estas corrientes.

    Donde los electrones se mueven hacia arriba, la fuerza espejo no es un problema, -- al contrario, ayuda a empujar los electrones fuera de la Tierra hacia campos magnéticos más débiles. Sin embargo, la historia es diferente en los lugares donde éstos caen. La fuerza espejo mantiene las partículas del cinturón de radiación fuera de la atmósfera de una manera segura -- pero allí, estos electrones alcanzan mejor las capas superiores de la atmósfera (donde la corriente puede continuar horizontalmente hacia la otra rama) Si no, ¡el circuito eléctrico permanecería abierto!

    Entonces, ¿qué es lo que sucede? En nuestras casas ninguna corriente eléctrica puede fluir al menos que una suerte de presión eléctrica la empuje -- una presión que llamamos "voltaje". En casa mide aproximadamente 110 voltios (en realidad varía al ser CA) Las corrientes del espacio también tienen un voltaje que las empuja, algo como 40000 voltios.

    En casa, si un obstáculo está colocado en el circuito - una resistencia eléctrica, como una bombilla -- el voltaje se concentra allí para ayudar a empujar la corriente a través del atasco. ¡Lo mismo sucede en el espacio, donde el atasco es la fuerza espejo al final de la línea de campo y, para superarla, algo como 5000 - 15000 voltios está concentrado allí, empujando estos electrones a través de ella. El voltaje los acelera alrededor de 1/10 de la velocidad de la luz, y cuando golpean el tope de la atmósfera producen un brillante resplandor. ¡Se trata de la aurora polar!

   

Aurora observada por     una cámara     al borde del DE-1

Bueno -- al menos un tipo de aurora. También existen otros tipos. El magnífico "anillo de fuego" alrededor del polo magnético, que se ha mostrado en imágenes satelitales (como el de aquí, a la izquierda) es de hecho, un tipo diferente. Es muy tenue para el ojo humano, pero fácil de ver para una nave espacial.

    Pero los arcos brillantes que vemos desde el suelo están usualmente asociados con corrientes eléctricas que fluyen desde la Tierra hacia el espacio - hacia algún lugar del espacio. (Puede ser confuso, pero para una vieja convención tales corrientes fluyen de (+) a (-). Sin embargo, cuando electrones negativos se dirigen hacia abajo , las corrientes que ellos conducen fluyen hacia arriba). Para recapitular, los electrones deben superar la "fuerza espejo" del fuerte campo magnético cercano a la Tierra que intenta dejarlos fuera, y lo hacen con una concentración de voltaje.

    Existe una prueba. La fuerza espejo es más fuerte cerca de la Tierra donde la intensidad del campo magnético es la más poderosa, entonces se espera que el voltaje sea también el mayor allí. Y puesto que tal voltaje es la fuente de energía de los electrones aurorales, sólo lo pueden adquirir muy cerca de la Tierra. De hecho, los satélites muestran que dichos electrones son acelerados sólo cuando se encuentran cerca de la Tierra, en las últimas 2-5000 millas antes de su golpe.

    No todas estas corrientes están directamente conectadas con el viento solar. Un muy brillante y violento tipo de arcos aurorales - asociado con las "subtormentas aurorales " antes mencionadas - parece ser producido (en parte o totalmente) dentro de la cola magnética. En estos casos, la estela se comporta un poco como una honda. El viento solar hala sus líneas de campo y las estira hasta el límite. Luego, cuando son liberadas y se devuelven, crean (por un momento - es decir, de una media hora a una hora) fuertes corrientes eléctricas y muchos pero muchos electrones aurorales.

    El sol libera luz solar y su caliente corona produce el viento solar, la fuente de la energía de la aurora. Pero el sol también es magnético -- con un campo magnético polar a gran escala (un poco como el de la Tierra), así como también lo son las manchas solares, regiones compactas de magnetismo concentrado. Éstas también influyen sobre la aurora a través del campo magnético interplanetario transportado fuera del sol por el viento solar (yo no iría hasta allá), así como a través de ocasionales tormentas magnéticas.

    La mayor parte de las personas ha oído acerca de las manchas solares -- oscuras marcas en el sol (un grupo de manchas solares está representado a la izquierda). Su número aumenta y disminuye en un ciclo irregular de unos once años, y algunas personas han especulado (no muy convincentemente) acerca de que éste corresponde al aumento y descenso del clima, de la bolsa de valores, de la guerra y más.

    El primero en notar este ciclo fue un astrónomo aficionado en 1843 - más de dos siglos después de que las manchas solares fueran descubiertas por primera vez (por Galileo y otros). Los astrónomos no lo vieron y dejaron la oportunidad de descubrirlo a Heinrich Schwabe, un farmaceuta alemán y astrónomo aficionado. Schwabe buscaba un planeta que orbitara cerca del sol dentro de la órbita de Mercurio llamado tentativamente "Vulcano". Sólo pueden verse estrellas en la noche, entonces, para detectar una que se encuentre muy cerca del sol, se necesita un eclipse total de sol o buscar una oscura mancha que esté pasando frente al disco solar.

    Schwabe buscó esta mancha en cada día soleado, y para distinguirla de las manchas solares (las cuales rotan con el sol y se mueven mucho más despacio) guardaba notas de estas manchas también. En 17 años no encontró planeta alguno pero en su lugar descubrió que el número de manchas solares crecía y descendía en un ciclo regular.

    Como lo notó, las manchas solares resultaron ser intensamente magnéticas. Se les asocia con las explosiones de energía magnética, las cuales lanzan rápidas nubes de plasma - más rápidas que el usual viento solar - en todas direcciones. Uno de los signos de estas explosiones son las llamas, que brillan repentinamente y crean también una inundación de rayos x. (No son peligrosas para los astronautas, pero los protones rápidos lanzados al mismo tiempo pueden serlo). Otro signo lo son las "Expulsiones Masivas Coronales", grandes bolas de gas que han salido volando desde el sol y que fueron reportadas en 1973 por los astronautas a bordo de la estación espacial "Skylab".

    Lo que sea que las cause, estas nubes llegan algunas veces cerca de la Tierra y agitan su magnetosfera en una tormenta magnética. El resultado, como se notó, son brillantes auroras, empujadas hacia lugares mucho más lejanos de los polos. Es la razón por la cual, usualmente, muchas más personas alcanzan a ver una aurora polar en los años que rodean el pico del ciclo de las manchas solares.

    Todo lo dicho arriba es apenas un pequeño y superficial vistazo de la ciencia de la aurora polar - y ni siquiera intentaré abordar el tema de las creencias tradicionales y lo literario. Permítanme concluir con unos aspectos un tanto exóticos -- las auroras artificiales y las auroras en otros planetas.

    Las auroras, como se ha dicho, son causadas por rayos de electrones que golpean la alta atmósfera. Si instalamos un cañón de electrones en el espacio en un transbordador espacial o sobre una nave espacial y lo apuntamos hacia abajo - ¿podemos crear una aurora?

    En principio si, pero en la práctica no es fácil igualar a la Madre Naturaleza. Recuerde que todas las manifestaciones aurorales se encuentran al menos a 60 millas sobre nuestras cabezas. Se necesita mucho poder para crear un resplandor visible a esa distancia - especialmente uno tan largo como lo es un arco auroral. Han habido experimentos - notablemente el "Arkad", experimento Franco-Soviético realizado en un lugar más arriba del Norte de Rusia (también se han realizados algunos por parte de los EEUU), y se detectaron manchas de luz, pero tomó instrumentos sensibles para verlas.

    Sin embargo, también existen otros métodos más drásticos - como explotar una bomba nuclear sobre la atmósfera pues una bomba produce un gran número de electrones rápidos. Tales explosiones fueron sugeridas por un científico griego poco convencional llamado Christofilos. Comenzó como un ingeniero que diseñaba sistemas de ascensores, pero su verdadero interés residía en los campos magnéticos y en el movimiento de iones y electrones en ellos. Su interés le llevó a descubrir una importante idea en el diseño de aceleradores para la investigación nuclear, conocido como "strong focusing" ("enfoque intenso"). Escribió a la Columbia University en los EEUU describiendo lo que había hecho, pero los científicos no prestaron suficiente atención a las ideas de un ingeniero de ascensores en Atenas. Le enviaron una amable respuesta y abandonaron la idea. Pocos años después, un ruso presentó un concepto similar.

    Sin embargo, la Fuerza Armada de los EEUU recordó a Christofilos y lo invitó a ese país. Debido a que estaba interesado en las partículas atrapadas, Christofilos propuso crear un cinturón de radiación artificial alrededor de la Tierra al explotar una pequeña bomba nuclear sobre de la atmósfera.

    Nadie sospechaba la existencia de un cinturón de radiación natural permanente, pero algunas pequeñas bombas nucleares fueron explotadas por la Fuerza Armada de los EEUU alto en la atmósfera, cerca de Hawai. Crearon resplandores en el cielo con los colores de la aurora y las personas de Honolulu exclamaban impresionados al verlos - tengo un vago recuerdo de que la revista "Life" incluso publicó una fotografía. Christofilos preparó así sus bombas (para que volasen en un cohete), mientras Rusia preparaba su Sputnik y Van Allen estaba listo para los Explorers 1 y 3.

    El Sputnik fue lanzado en octubre de 1957, el Explorer 1 el último día de enero de 1958, el recién descubierto cinturón de radiación fue descrito en mayo de ese año, y las 3 bombas del "Proyecto Argus" fueron explotadas en agosto y septiembre de 1958 sobre un espacio aislado del Atlántico Sur. Ninguna observación rompió el secretismo del proyecto y ningún periódico habló de esto en aquel momento. Pero cerca de las Islas Azores, esto produjo una brillante aurora que fue vista por observadores a bordo de barcos anclados allí deliberadamente. Los "cinturones de radiación artificiales" de las bombas permanecieron cerca de 2 semanas y fueron monitoreados por el Explorer 4, construido por Van Allen para este propósito.

    Cuatro años después, la Fuerza Armada de los EEUU decidió repetir el experimento a gran escala al oeste de Hawai usando una bomba de hidrógeno , unas 1000 veces más poderosa. Esta vez, los electrones aurorales fueron guiados hacia Samoa - cerca del ecuador, en una región donde las auroras nunca habían sido vistas. Pero la explosión ocurrió demasiado cerca del ecuador, en una región donde la retención era mucho más eficiente. El cinturón de radiación estuvo suspendido durante años, no semanas, y destruyó rápidamente 3 satélites (incluyendo un satélite científico británico que la NASA acababa amablemente de lanzar) al degradar sus paneles solares y privarlos de poder. La Unión Soviética explotó también bombas H en el espacio, pero el año siguiente llegó la prohibición internacional de ensayos y todos estos experimentos terminaron.

    La nave espacial de la NASA había mostrado que los planetas gigantes -Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno - eran todos ellos magnéticos y tenían cinturones de radiación. Júpiter, el más grande, supera a todos los demás - su "imán central" es unas 20000 veces más fuerte que el nuestro y también tiene auroras, las cuales han sido fotografiadas por el telescopio espacial Hubble (ver aquí una foto reciente). Su origen (al menos el de las más fuertes) es interesante.

    Como se notó, la aurora de la Tierra está asociada con corrientes eléctricas, así como la de Júpiter. Júpiter tiene 4 grandes lunas (tan grandes como la nuestra o más grandes), y la más próxima, Ío, es un lugar extraño e infernal cuyo interior lo calientan las mareas que producen volcanes de sulfuro y lagos fundidos. Como resultado, este satélite (o la atmósfera que le rodea) conduce electricidad y, como el ambiente magnético de Júpiter gira en torno a él (de la misma manera como el viento solar fluye en torno a la Tierra), las corrientes eléctricas son producidas a lo largo de las líneas de campo conectándolo con Júpiter.

    Sabemos de estas corrientes porque el Voyager 1 voló cerca de ellas en 1979 y observó el patrón magnético que estas producían. Y sabemos que las auroras observadas son debidas a estas corrientes pues se ha trazado el mapa de la estructura de los campos magnéticos de Júpiter. Al usar estos repertorios para trazar las líneas de campo magnético desde Í o hasta la superficie del planeta, uno llega exactamente a las manchas donde las auroras son vistas.

  Preguntas y respuestas frecuentes acerca de la Aurora, una página Web compilada por el Prof. Dirk Lummerzheim del Geophysical Institute, University of Alaska, Fairbanks. Ofrece una visión muy detallada de la aurora, algo similar a la presentada aquí arriba, aunque podrán encontrar artículos no cubiertos. Ej. La "aurora negra."

Galería de auroras

Otros sitios con imágenes aurorales:

A site by the Michigan Institute of Technology
Jan Curtis'es aurora images
An aurora site by the Andoya rocket range in northern Norway