“In a nutshell” about Aurora -7a. Colori, l’origine

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Origine della Magia e un’apparente contraddizione

Il colore dell’aurora può essere considerato come “l’impronta digitaledell’atmosfera perché permette di risalire ai gas che la compongono.

credit Markus Kiiliclicca per ingrandire, click to enlarge

Attenzione alle aspettative: l’aurora che vedrai dal vivo avrà veramente quegli spettacolari sgargianti colori?

I colori che vedi in certe foto sono Sì REALI…

“Una massiccia parete di raggi viola e verdi brillanti, 20 luglio 2012. Dettagli: 16mm af / 2.8, ISO 800 e 20 secondi di esposizione.” Credit Bob Kingclicca per ingrandire, click to enlarge

ma esagerati, sia perché le immagini sono frutto di esposizioni prolungate nel tempo (da pochi fino anche a decine di secondi)…

Immagine “corretta” per rappresentare meglio la visione “ad occhio nudo”. Si notano decisamente colori più pallidi. Credit Bob Kingclicca per ingrandire, click to enlarge

… sia perché possono venire ulteriormente manipolate con appositi software per farli risultare così sorprendenti.

“Una sorprendente aurora coronale catturata nel febbraio 1999. Il rosso di questa aurora era evidente a occhio nudo, ma appariva più simile alla versione Photoshopped a destra.” Credit Bob Kingclicca per ingrandire, click to enlarge

Tuttavia non fraintendere, non c’è niente di male a far risaltare in questo modo l’innegabile bellezza, in fondo è un indubbio aiuto alla nostra visione così “limitata”…

le frequenze di luce visibile per il nostro sistema sono davvero limitate (400-700 nanometri) in confronto all’estensione dello spettro elettromagnetico generale

ma devi essere preparato sul fatto che la maggior parte delle volte la meravigliosa aurora…

Credit Bob Kingclicca per ingrandire, click to enlarge

NON si presenta così ai tuoi occhi!
Sembra pazzesco ma è vero, l’autore ha usato Photoshop per regolare colore e luminosità in modo da rendere la vista “ad occhio nudo”. I raggi erano incolori.

Credit Bob Kingclicca per ingrandire, click to enlarge

Tutti i giorni noi siamo circondati da oggetti di diversi colori, e li vediamo tutti (più o meno)…

lungo e basso arcobaleno nella zona dove viviamo, la Busa trentina – foto mia

… ma con le Aurore notturne il discorso è diverso: considera che alcune tonalità di colore sono quasi impercettibili all’occhio umano, che ha sviluppato la massima sensibilità al verde, leggermente meno al giallo e addirittura solo 1/10 al rosso…

gran parte della sensibilità del nostro sistema visivo è concentrata sul verde-giallo e molto meno al rosso o al violetto

inoltre di notte le cellule deputate alla visione dei colori, i coni (qui sotto a destra), sono attivate solo con determinate intensità di luce, quindi l’operatività è limitata soprattutto quando l’Aurora è debole.

bastoncello (rod) e cono (cone)

“Spesso una cortina di raggi verdi viene sormontata da emissioni rosse, blu o viola fedelmente riprodotte dalla fotocamera: ma noi cosa vedremmo ad occhio nudo?
Foschia fumosa e incolore con sentori di rosa…”

Bob King, Universe Today
credit Maciej Winiarczykclicca per ingrandire, click to enlarge

Non farti tuttavia minimamente demoralizzare da queste parole, vedrai che se avrai l’occasione di andare a vederla, che i colori siano vividi o pallidi…

credit Davide Necchiclicca per ingrandire, click to enlarge

non resterai affatto deluso, perché la magia dell’Aurora è una combinazione di diversi fattori, e solo l’imprevedibilità è l’unico rischio.

credit Jani Ylinampaclicca per ingrandire, click to enlarge

Come mai quelle sorprendenti sfumature di colori? Combinazione complessa di Gas, Altitudine ed Energia

credit Maciej Winiarczykclicca per ingrandire, click to enlarge

Alla fine dell’episodio sul Generatore aurorale ti ho spiegato “come si crea la magia”, risultato di collisioni tra particelle bombardanti ad alta energia ed atomi/molecole atmosferici neutri…

credits NASA

… quindi un fenomeno ottico dovuto alla “meccanica quantistica”:

il “salto quantico”

Con il violento urto, l’elettrone- eccitato salta al livello superiore per poi tornare al suo livello di quiete, emettendo nel farlo un fotone.

Annarita di Scientificando
credit Maciej Winiarczykclicca per ingrandire, click to enlarge

L’elettrone- però, nel tornare al suo stato/livello di quiete, impiega “un tempo caratteristico”. Questa espressione può essere fuorviante, se non si precisa subito che si intende “immediatamente, microsecondi”.

Fa tuttavia eccezione l’Ossigeno, che impiega:
¾ di secondo ad emettere in verde
– e addirittura quasi 2 minuti per il rosso (un tempo lunghissimo se confrontato con i microsecondi)

credit Markus Kiiliclicca per ingrandire, click to enlarge

… sempre che durante questo tempo non venga colpito da un’altra molecola, nel qual caso cedendole la sua energia non emette più luce.

Il segreto sta nelle sfumature

Il colore

dipende semplicemente dalla lunghezza d’onda (in nanometri) della luce emessa a causa di questi scontri…

Spettro di luce visibile all’occhio umano, tra Infrarossi ed Ultravioletti

…ma il motivo

per cui un fotone viene emesso con quella particolare sfumatura di colore e intensità rispetto ad un altro, è tutt’altro che semplice poiché dipende dalla dinamica combinazione di 3 variabili:

1) GAS atmosferici predominanti e relativo stato elettronico
(Ossigeno atomico O, Ossigeno molecolare O2 ed Azoto molecolare N2 neutri)

credit Davide Necchiclicca per ingrandire, click to enlarge

2) ALTITUDINE e relativo grado di rarefazione
(la rarefazione diminuisce scendendo di quota)

Qui rappresentati gli ultimi 3 strati e l’atmosfera che diventa via via più densa di particelle, mano a mano che ci si avvicina alla superficie.

3) ENERGIA delle particelle bombardanti
(alta o bassa a seconda dell’attività solare emessa da 2 a 4 giorni prima, e che poi subisce l’interazione con la magnetosfera terrestre)

Questa immagine artistica rappresenta l‘Aurora “vista dall’interno”: le particelle cariche esplose dal Sole, dopo aver interagito con la magnetosfera terrestre e quindi ulteriormente energizzate, precipitano spiraleggiando nelle cuspidi polari, scontrandosi finalmente con Ossigeno ed Azoto

Riguardo all’altitudine, brevissimo passo indietro

Nell’alta atmosfera, sopra i 100 km, quindi termosfera ed esosfera (che comprendono la Ionosfera), i moti dei gas sono ridotti e non c’è più rimescolamento (caratteristica della bassa atmosfera – troposfera, stratosfera, mesosfera).

Strati in giallo; Ionosfera freccia tratteggiata bianca verticale; la mesopausa separa omosfera (composizione costante) da eterosfera (diversa composizione)

Qui i gas sono distribuiti quindi per fasce in base alla densità, in conseguenza della forza di gravità terrestre: Idrogeno, Elio, Ossigeno.

  • Il più leggero, l’Idrogeno, sta in alto (> 2.500 km)
  • L’Elio, con un peso intermedio, si dispone al di sotto (800-2.500 km)
  • Il più pesante, l’Ossigeno atomico sta in basso (200-800 km)

Anche se c’è da dire che “basso” e “alto” sono per noi concetti relativi

fotogramma tratto dal film “Antman”

… perché per quanto riguarda le aurore, per noi:
– già la quota “bassa” dei 1.000 km è in realtà Alta!

– così la quota sotto i 200-300 km diventa per noi quella intermedia
– e sotto gli 85-100 km quella Bassa (dove inizia il rimescolamento dei gas con predominanza dell’uno o dell’altro, dell’Azoto sotto i 100 km, dell’Ossigeno sopra i 300 km)

A proposito, non prendere in modo troppo “rigido” le cifre delle altezze: alcune fonti indicano che i 200 sono 300, o gli 800 sono 690 o addirittura 1.100. Per quanto mi riguarda, non starei troppo ad impazzire per queste incongruenze, il mio perfezionismo è piuttosto ostinato ma non sono un tecnico.

Infine, un’apparente contraddizione

Per concludere questa prima parte, risulta però evidente un’apparente contraddizione che va chiarita, anche perché è uno degli scopi del mio blog (e ringrazio il Dottor Uranium per la consulenza scientifica).

Viene descritto dovunque quali gas sono responsabili di quali colori:

Ossigeno atomico (O) del

verde
– lunghezza d’onda di 557,7 nm = nanometri

– “auroral green line= riga aurorale verde (detta così perché è quella che principalmente domina l’aurora)

Ossigeno molecolare (O2) del

rosso
– lunghezza d’onda di 630 nm

– “auroral red line= riga aurorale rossa (detta così perché è quella che principalmente domina l’aurora)

Azoto molecolare di

blu

viola

rosso violaceo

Tutte le variazioni e sfumature sono poi conseguenti alla fusione dei tre colori primari (rosso blu e verde danno magenta ciano e giallo. Se non conosci l’inglese, le lettere dei colori hanno le iniziali dei colori in inglese).

Tuttavia, puoi verificare facilmente dove sta la contraddizione:

  • Tra 200-300 e 1.100 km predomina l’Ossigeno atomico (che hai visto essere responsabile del verde), ma stranamente troviamo le aurore ROSSE e non verdi come dovrebbero essere

mentre

  • Sotto i 200-300 km predomina l’Ossigeno molecolare (che hai visto essere responsabile del rosso), ma troviamo invece le aurore VERDI, colore che sarebbe causato dell’O atomico che però non predomina più a questa quota.
credits NASA ingrandisci, enlarge

Non temere comunque, come ho detto la contraddizione è solo apparente e nella seconda parte ti spiego come si risolve il dilemma.
Nel frattempo notte e “sogni d’oro”, a presto con “la magia” dei Colori.

credit Maurizio Pignotticlicca per ingrandire, click to enlarge

Gli altri link di questo viaggio verso le Aurore:
– “In a nutshell” about Aurora – 0. Il Sole
– “In a nutshell” about Aurora – 1. Riconnessione Magnetica
– “In a nutshell” about Aurora – 2a. Flares vs CME: scontro di Titani
– “In a nutshell” about Aurora – 2b. Flares vs CME: scontro di Titani

– “In a nutshell” about Aurora – 3a. Campo magnetico terrestre
– “In a nutshell” about Aurora – 3b. Fasce di Van Allen
– “In a nutshell” about Aurora – 3c. Cometa, toroidi e particelle
“In a nutshell” about Aurora – 3d. radiazioni
“In a nutshell” about Aurora – 3e. radiazioni a confronto

“In a nutshell” about Aurora –3f. radiazioni e ISS
“In a nutshell” about Aurora -4. Cuspidi polari
“In a nutshell” about Aurora -5. Generatore aurorale

“In a nutshell” about Aurora -6. Altitudine e forme
“In a nutshell” about Aurora -7b. Colori, la magia
“In a nutshell” about Aurora -8. luminosità, movimento e calore
“In a nutshell” about Aurora -9. Curiosità
“In a nutshell” about Aurora -10. Suoni
In a nutshell” about Aurora -11. Emozioni e considerazioni
“In a nutshell” about Aurora -12a. Tempeste solari
“In a nutshell” about Aurora -12b. Disturbi e danni da Flare

Link utili e collaborazioni:
– prezioso sostegno scientifico su Ossigeno atomico e molecolare e sul salto quantico, Dott. Uranium
– “Technicolor Auroras? Un controllo di qualità“, Universe Today dell’astronomo Bob King
– Enciclopedia dei Ragazzi Treccani, Aurora Boreale
– foto di Aurore di Markus Kiili
– foto di Aurore di Maciej Winiarczyk
– foto di aurore di Davide Necchi
– foto di Aurore di Maurizio Pignotti
– foto di Aurore di Jani Ylinampa
– foto di Aurore di Mikko Lagerstedt

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