Por que as auroras da grande tempestade solar eram vermelhas?

Na sexta-feira (10), a maior tempestade solar desde 2023 atingiu a Terra, produzindo explêndidas auroras boreais e austrais em muitas regiões do planeta. A maioria delas, no entanto, era de cor avermelhada, diferente das auroras "normais" que geralmente são verdes. Por que isso ocorreu?

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As auroras são causadas por partículas carregadas emitidas pelo Sol, por meio das ejeções de massa coronal. Essas partículas são, em sua maioria, desviadas para longe pelo campo magnético da Terra, mas eventos mais intensos podem terminar de modo mais complexo.

Quando a nuvem de partículas é muito veloz, algumas delas (especialmente elétrons) podem penetrar pelo campo magnético terrestre e interagir com a atmosfera superior do planeta — em especial, com moléculas de oxigênio (O²).

Nesse processo, a molécula O² é dividida em dois átomos individuais de oxigênio, mas há outro detalhe: esses átomos estarão em estado excitado. Isso significa que os elétrons desses átomos absorvem a energia da colisão e passam de uma camada mais interna para outra mais externa.

Em outros tipos de processos envolvendo luzes coloridas, o mecanismo é o mesmo. Por exemplo, o sódio produz uma cor amarelo-laranja ao ser energizado; por isso é usado em lâmpadas há quase um século. Embora cada vez mais raras, a coloração dessas luzes é quase inconfundível.

Para emitir luz (fóton) amarela, o elétron excitado no átomo de sódio precisa “relaxar”, o que o leva a perder aquela energia adquirida quando foi energizado. Essa energia “extra” é emitida na forma de um fóton — e por haver muitos átomos de sódio dentro da lâmpada, muita luz é produzida.

Contudo, no topo da atmosfera terrestre, as condições são bem diferentes e, por isso, os resultados se tornam ainda mais incríveis. Enquanto o átomo de sódio permanece em estado excitado por cerca de 17 bilionésimos de segundo antes de emitir um fóton, os átomos de oxigênio que produzem auroras não têm o direito de relaxar tão rapidamente.

É aí que entra uma das grandes diferenças entre os dois exemplos: o sódio está concentrado na forma de gás dentro da lâmpada, onde sofre pressão, e o topo da atmosfera tem pressão muito reduzida. Na lâmpada, os átomos têm pouco espaço e são energizados com facilidade, ao contrário das moléculas de oxigênio na camada atmosférica superior.

Acontece que, para o oxigênio que deseja emitir um fóton, é uma grande vantagem estar em um ambiente de menor pressão atmosférica. O motivo é que ele é levado a estados excitados nos quais são “proibidos” de relaxar por meio da emissão de luz, mas ainda pode emiti-la por um processo específico.

Esse processo é o salto improvável de um estado chamado “¹S” para o estado “¹D”, algo demorado: leva quase um segundo inteiro para ocorrer, muito lento em comparação com o processo de relaxamento do sódio. Por isso, o oxigênio que almeja emitir luz verde agradece à ausência de pressão no topo da atmosfera.

Mas e a luz vermelha?

Infelizmente para nossos átomos de oxigênio, eles ainda não podem relaxar, mesmo com a emissão de um fóton verde. Isso só pode ocorrer com outra transição ainda mais improvável, que o leva do estado ¹D para o estado ³P. Este, por sua vez, emite luz vermelha.

Se o oxigênio leva quase um segundo inteiro para produzir um fóton verde, levará cerca de dois minutos antes de relaxar para emitir o vermelho. Por isso, o vermelho só aparece em altitudes ainda mais elevadas que o verde, pois é onde os átomos terão mais tempo para relaxar antes de colidir com outra partícula novamente.

Por fim, como as regiões mais elevadas da atmosfera são rarefeitas e de baixa densidade de oxigênio, é necessária uma quantidade muito maior de partículas solares para produzir a luz vermelha, em comparação com o número de partículas capazes de produzir o verde na atmosfera mais inferior.

Fonte: The Conversation