Aurora polară este un fenomen optic ce constă într-o strălucire intensă observată pe cerul nocturn în regiunile din proximitatea zonelor polare, ca rezultat al impactului particulelor de vânt solar în câmpul magnetic terestru. Când apare în emisfera nordică, fenomenul e cunoscut sub numele de aurora boreală, termen folosit inițial de Galileo Galilei, cu referire la zeița romană a zorilor,Aurora, și la titanul care reprezenta vânturile, Boreas. Apare în mod normal în intervalele septembrie-octombrie și martie-aprilie. În emisfera sudică, fenomenul poartă numele de auroră australă, după James Cook, o referință directă la faptul că apare în sud.
Sonda spațiala Mars Express a detectat în 2004 o auroră pe Marte. Marte deține un câmp magnetic mai slab decât cel terestru, iar până la acel moment se credea că lipsa unui câmp magnetic puternic ar face imposibilă apariția unui asemenea efect. S-a constatat că sistemul de aurore de pe Marte este similar celui de pe Terra, fiind comparat cu furtunile de slabă și medie intensitate petrecute pe Pământ. Cum planeta se plasează întotdeauna cu latura sa diurnă spre planeta noastră, observarea efectelor de auroră e posibilă doar prin intermediul misiunilor spațiale care să învestigheze partea nocturnă a planetei roșii.
Fenomenul nu este exclusiv terestru, fiind observat și pe alte planete din sistemul solar ,precum Jupiter, Saturn, Marte și Venus. Totodată, fenomenul este de origine naturală, deși poate fi reprodus artificial prin explozii nucleare sau în laborator. Aurora apare în mod obișnuit atât ca o strălucire difuză cât și ca o cortină extinsă în spațiu orizontal. Câteodată se formează arcuri care își pot schimba forma permanent. Fiecare cortină este compusă dintr-o serie de raze paralele și aliniate pe direcția liniilor de câmp magnetic, sugerând faptul că fenomenul de pe planeta noastră este aliniat cu câmpul magnetic terestru. De asemenea, variabilitatea unor anumiți factori poate determina formarea de linii aurore de tonalități și culori diferite.
Aurora polară terestră
În general, efectul luminos este dominat de emisiunea de atomi de oxigen în straturile superioare ale atmosferei (aproximativ 200 de kilometri de altitudine), care produce tonalitatea verde. Când se produc furtuni puternice, straturile inferioare ale atmosferei sunt atinse de vântul solar (la aproximativ 100 de kilometri altitudine), producând tonalitatea roșu închis prin emisiunea de atomi de azot (predominantă) și oxigen. Atomii de oxigen emit tonalități de culori variate, deși, de cele mai multe ori, se întâlnesc roșul sau verdele.Aurora polară terestră e provocată de ciocnirea unor particule încărcate electric (de exemplu electroni) din magnetosferă cu atomi din straturile superioare ale atmosferei terestre, aflate la altitudini de peste 80 km. Aceste particule electrice au o energie de 1 până la 15 keViar coliziunea lor cu atomii de gaz din atmosferă determină energizarea acestora din urmă. Prin fiecare coliziune o parte din energia particulei este transmisă atomului atins, într-un proces de ionizare, disociere și excitare a particulelor. În timpul ionizării, electronii se desprind de atom, care încarcă energie și determină un efect de ionizare de tip domino în alți atomi. Excitația rezultă în emisie, ducând atomul în stări instabile, dat fiind că aceștia emit lumină în frecvențe specifice când se stabilizează. Dacă procesul de stabilizare a oxigenului durează până la o secundă, azotul se stabilizează și emite lumină instantaneu. Acest proces, esențial în formarea ionosferei terestre, este comparabil cu cel ce stă la baza ecranului de televizor: electronii ating suprafața de fosfor, alterând nivelul de energie al moleculelor, fapt care rezultă în emisiunea de lumină.
Fenomenul poate apărea și ca o luminescență ultravioletă, violetă sau albastră, datorată atomilor de azot, prima dintre acestea putând fi foarte bine observată din spațiu (dar nu de pe Pământ, pentru că atmosfera absoarbe razele UV). Satelitul NASA Polar a observat efectul în raze X, imaginile ilustrând precipitații de electroni de energie ridicată.
Interacțiunea între moleculele de oxigen și azot, ambele generatoare de tonalități ale culorii verde, creează efectul de „linie verde aurorală”. În același fel, interacțiunea dintre acești atomi poate produce efectul de „linie roșie aurorală”, deși mai rar și prezent în altitudini mai ridicate.
Planeta noastră este atinsă permanent de vânturi solare, fluxuri rarefiate de plasmă caldă (gaz de electroni liberi și cationi) emise de Soare în toate direcțiile, ca rezultat al temperaturii înalte a coroanei solare, stratul exterior al stelei. Pe durata furtunilor magnetice, fluxurile pot fi mai puternice, asemenea câmpului magnetic interplanetar apărut între două corpuri celeste, determinând conturbarea ionosferei în răspuns la furtuni. Asemenea tulburări afectează calitatea comunicațiilor radio sau a sistemelor de navigare, putând afecta astronauții din aceste regiuni, celulele solare ale sateliților artificiali, indicația busolelor și acțiunea radarelor. Acțiunea ionosferei este complexă și dificil de modelat, îngreunând prezicerea fenomenelor de acest tip.
Magnetosfera terestră este o regiune din spațiu dominată de câmp magnetic. Ea se constituie ca un obstacol în drumul vântului solar, cauzând dispersarea sa pe sensul de întoarcere. Lățimea sa este de aproximativ 190 000 Km, iar în timpul nopților o lungăcoadă magnetică se extinde pe distanțe chiar și mai mari.
Aurorele sunt încadrate în general în regiuni cu format oval, apropiate polurilor magnetice. Când activitatea efectului este calmă, regiunea dispune de o dimensiune medie de 3 mii de kilometri, putând varia până la 4 sau 5 mii de kilometri când vânturile solare se intensifică.
Sursa de energie a aurorelor este dată de vânturile solare care circulă pe Terra. Atât magnetosfera, cât și vânturile solare pot conduce electricitate. Este cunoscut faptul că dacă două conductoare electrice legate într-un circuit electric sunt introduse într-un câmp magnetic, iar unul dintre ele se deplasează în jurul celuilalt, în circuit este generat un curent electric. Generatoarele electrice și dinamurile utilizează acest principiu, însă conductoarele tradiționale pot fi înlocuite de plasme sau chiar alte fluide. În acest context, vântul solare și magnetosfera sunt fluide conductoare de electricitate cu mișcare relativă, fiind astfel capabile să genereze curent electric, care produce efect luminos.
Cum polurile magnetice și geografice ale planetei noastre nu sunt aliniate, în același fel regiunile aurorale nu sunt aliniate cu polul geografic. Cele mai bune puncte de observație a aurorelor se găsesc în Canada pentru aurorele boreale și pe insula Tazmania sau în sudul Noii Zeelande pentru aurorele australe.
Auroră artificială
Aurorele se pot forma de asemenea prin explozii nucleare în straturile superioare ale atmosferei (la 400 km). Acest fenomen a fost demonstrat prin aurora artificială creată în urma testului nuclear american Starfish Prime la 9 iulie 1962. Atunci, cerul din regiunea Oceanului Pacific a fost iluminat de către auroră pentru mai mult de șapte minute. Acest efect a fost anticipat de omul de știință Nicholas Christofilos, care lucrase la alte proiecte referitoare la exploziile nucleare. Potrivit veteranului american Cecil R. Coale, anumite hoteluri din Hawaii au organizat petreceri ale bombei curcubeu pe acoperișurile lor pentru a acompania proiectul Starfish Prime, contrazicând rapoartele oficiale care indicau aurora artificială ca improbabilă. Fenomenul a fost filmat pe Insula Samoa, situată la o distanță de 3 200 Km de insula Johnston, locația exploziei.
Simulări ale efectului în laborator au început să fie produse la finalul secolului XIX de către omul de știință norvegian Kristian Birkeland, care a demonstrat, utilizând o cameră de vid într-o sferă, că electronii erau atrași de regiunile polare ale sferei. Recent, cercetătorii au reușit să creeze un efect auroral de culoare verde, cu vizibilitate redusă pe Terra, emițând raze radio pe cerul nocturn. La fel ca în cazul fenomenului natural, particulele atingeau ionosfera, stimulând electronii din plasmă. La ciocnirea electronilor cu atmosfera terestră erau emise razele de lumină. Acest experiment a adus noi informații despre efectele ionosferei în comunicațiile prin radio.
Aceste efecte de auroră par să fie provocate de vânturile solare. Pe de altă parte, lunile planetei Jupiter, în special Io, sunt la rândul lor surse importante producătoare de aurore. Aurorele sunt formate de curenții electrici din câmpul magnetic, generați de mecanismul de dinam relativ la mișcările de rotație a planetei și de translație a lunii sale. În particular, Io are vulcani activi și o ionosferă, iar curenții săi generează emisiunea de unde radio, fenomen studiat din 1955.Atât Jupiter cât și Saturn posedă câmpuri magnetice mult mai puternice decât cele terestre (Uranus, Neptun și Mercur sunt de asemenea magnetice) și dispun ambele de centuri de radiații. Efectul de auroră polară a fost observat pe ambele planete, mai clar, cu telescopul Hubble.
Ca și cele terestre, aurorele de pe Saturn creează regiuni ovale totale sau parțiale în jurul polului magnetic. Pe de altă parte, aurorele produse pe această planetă durează de obicei zile, spre deosebire de cele terestre care durează abia câteva minute. Evidențele arată că emisiile de lumină din cadrul fenomenelor de auroră produse pe Saturn sunt datorate participării emisiilor de atomi de hidrogen.
Venus, care nu posedă un câmp magnetic, prezintă de asemenea fenomenul de auroră, prin care particulele atmosferice sunt ionizate în mod direct de către vânturile solare, fenomen prezent de asemenea pe Pământ.
