Prošlog tjedna, velika solarna baklja poslala je val energetskih čestica sa Sunca u svemir. Tijekom vikenda, taj val stigao je do Zemlje, omogućujući ljudima širom svijeta da uživaju u prizoru neobično živih aurora na obje hemisfere.

Iako se aurora obično vidi samo blizu polova, ovaj vikend je uočena čak i južno do Havaja na sjevernoj hemisferi i sjeverno do Mackaya na južnoj hemisferi.

Ovaj spektakularan porast aktivnosti aurora čini se da je završio, ali ne brinite ako ste ga propustili. Sunce se približava vrhuncu svog 11-godišnjeg ciklusa sunčevih pjega, a razdoblja intenzivnih aurora vjerojatno će se vratiti tijekom sljedeće godine ili dvije.

Ako ste vidjeli auroru ili neke od fotografija, možda se pitate što se točno događalo. Što uzrokuje sjaj i različite boje? Odgovor leži u atomima, načinu na koji se uzbuđuju – i kako se opuštaju.

Aurora nastaje kada nabijene subatomske čestice (uglavnom elektroni) udare u Zemljinu atmosferu. Te čestice se stalno emitiraju sa Sunca, ali ih je više tijekom razdoblja veće solarne aktivnosti.

Veći dio naše atmosfere zaštićen je od naleta nabijenih čestica Zemljinim magnetskim poljem. No, blizu polova, čestice mogu prodrijeti i izazvati pustoš.

Zemljina atmosfera sastoji se od približno 20% kisika i 80% dušika, uz neke tragove drugih tvari poput vode, ugljičnog dioksida (0,04%) i argona.

Kada elektroni velike brzine udare u molekule kisika u gornjoj atmosferi, oni razdvajaju molekule kisika (O₂) na pojedinačne atome. Ultraljubičasto svjetlo sa Sunca također to čini, a stvoreni atomi kisika mogu reagirati s molekulama O₂ kako bi proizveli ozon (O₃), molekulu koja nas štiti od štetnog UV zračenja.

Međutim, u slučaju aurora, stvoreni atomi kisika nalaze se u uzbuđenom stanju. To znači da su elektroni atoma raspoređeni na nestabilan način koji se može "opuštati" ispuštanjem energije u obliku svjetlosti.

Kao što vidite u vatrometu, atomi različitih elemenata proizvode različite boje svjetlosti kada su energizirani. Atomi bakra daju plavo svjetlo, barij je zelen, a atomi natrija proizvode žuto-narančastu boju koju ste možda vidjeli u starijim uličnim svjetiljkama. Te emisije su "dozvoljene" pravilima kvantne mehanike, što znači da se događaju vrlo brzo.

Kada je atom natrija u uzbuđenom stanju, on ostaje tamo samo oko 17 milijarditih dijelova sekunde prije nego što ispali žuto-narančasti foton.

Ali, u aurori, mnogi od atoma kisika stvaraju se u uzbuđenim stanjima bez "dozvoljenih" načina da se opuste ispuštanjem svjetlosti. Ipak, priroda pronalazi način.

Zeleno svjetlo koje dominira aurom emitira se kada se atomi kisika opuštaju iz stanja nazvanog "¹S" u stanje nazvano "¹D". To je relativno spor proces, koji u prosjeku traje gotovo cijelu sekundu.

Zapravo, ovaj prijelaz je toliko spor da se obično ne događa pri vrsti tlaka zraka koju vidimo na razini tla, jer će uzbuđeni atom izgubiti energiju sudarom s drugim atomom prije nego što ima priliku emitirati prekrasan zeleni foton. No, u višim slojevima atmosfere, gdje je niži tlak zraka i stoga manje molekula kisika, imaju više vremena prije nego što se sudare i stoga imaju priliku osloboditi foton.

Iz tog razloga, znanstvenicima je trebalo dugo da shvate da zeleno svjetlo aurora dolazi od atoma kisika. Žuto-narančasti sjaj natrija bio je poznat već u 1860-ima, ali je tek 1920-ih kanadski znanstvenici shvatili da je auroralno zeleno zbog kisika.

Zeleno svjetlo dolazi iz takozvanog "zabranjenog" prijelaza, koji se događa kada elektron u atomu kisika izvede malo vjerojatan skok s jedne orbitalne putanje na drugu. (Zabranjeni prijelazi su mnogo manje vjerojatni od dozvoljenih, što znači da traju duže.)

Međutim, čak i nakon emitiranja tog zelenog fotona, atom kisika nalazi se u još jednom uzbuđenom stanju bez dozvoljenog opuštanja. Jedini izlaz je putem još jednog zabranjenog prijelaza, iz stanja ¹D u stanje ³P – koje emitira crveno svjetlo.

Ovaj prijelaz je još više zabranjen, i stanje ¹D mora preživjeti oko dvije minute prije nego što konačno može prekršiti pravila i emitirati crveno svjetlo. Zbog toga što traje tako dugo, crveno svjetlo se pojavljuje samo na velikim visinama, gdje su sudari s drugim atomima i molekulama rijetki.

Također, zbog toga što tamo ima tako malo kisika, crveno svjetlo se obično pojavljuje samo u intenzivnim aurorama – poput onih koje smo upravo imali.

Zbog toga se crveno svjetlo pojavljuje iznad zelenog. Iako oba potječu iz zabranjenih opuštanja atoma kisika, crveno svjetlo emitira se mnogo sporije i ima veću vjerojatnost da bude ugašeno sudarima s drugim atomima na nižim visinama.

Dok je zeleno najčešća boja koja se vidi u aurori, i crveno druga najčešća, postoje i druge boje. Konkretno, ionizirane molekule dušika (N₂⁺, koje su izgubile jedan elektron i imaju pozitivan električni naboj), mogu emitirati plavo i crveno svjetlo. To može proizvesti magenta nijansu na niskim visinama.

Sve te boje su vidljive golim okom ako je aurora dovoljno svijetla. Međutim, one se jače prikazuju na objektivu kamere.

Postoje dva razloga za to. Prvo, kamere imaju prednost dugog izlaganja, što znači da mogu provoditi više vremena prikupljajući svjetlost kako bi proizvele sliku nego što to naše oči mogu. Kao rezultat toga, mogu stvoriti sliku u slabijim uvjetima.

Drugo je to što senzori boja u našim očima ne rade dobro u mraku – pa imamo tendenciju vidjeti u crno-bijelom u uvjetima slabog osvjetljenja. Kamere nemaju to ograničenje.

Ne brinite, ipak. Kada je aurora dovoljno svijetla, boje su jasno vidljive golim okom.

Original:
Timothy Schmidt
Profesor kemije, UNSW Sydney