Como ocorrem as auroras boreais?

Como o campo magnético da Terra e as tempestades solares formam as auroras, um dos mais belos fenômenos naturais vistos.
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As auroras, também chamadas de “luzes do norte”, é um dos mais belos fenômenos naturais na Terra. Também são destinos turísticos desejados em países como Noruega, Suécia, Islândia e Finlândia, movimentando a economia hoteleira das geladas cidades do norte desses países por admiradores das auroras.

Antes de examinarmos como ocorrem as auroras e por que elas são coloridas, é importante compreendermos com clareza dois mecanismos fundamentais responsáveis pelas auroras: o campo magnético da Terra e os ventos solares.

Magnetosfera: o campo magnético da Terra

Ilustração de como o campo magnético é gerado no interior da Terra. Imagem: Andrew Z. Colvin.

O núcleo da Terra é dividido em duas partes. O núcleo interno é mais quente que o núcleo externo, portanto seu magma sobe. Ao subir, o magma se resfria e desce de volta ao interior do planeta. O campo magnético da Terra é gerado por meio de correntes elétricas que são produzidas pelo movimento de convecção do núcleo derretido de ferro e níquel no interior do planeta.

O mecanismo que gera o campo magnético é chamado de geodínamo, no qual a movimentação de um fluido condutor gera cargas elétricas. O movimento de cargas elétricas induz a geração de um campo magnético (Lei de Ampère); o movimento dos campos magnéticos gera uma corrente elétrica (Lei de Faraday); e o campo eletromagnético como um todo exerce uma força sobre essas cargas, a Força de Lorentz.

O campo magnético da Terra tem o poder de bloquear radiação cósmica vinda do espaço. Como a radiação cósmica e parte da radiação mortal do Sol, na verdade, são partículas eletricamente carregadas (como prótons e elétrons livres acelerados), eles interagem fortemente com campos magnéticos, refletindo-os para longe da atmosfera da Terra — ou aprisionando-os em segurança no cinturão de Van Allen.

Graças ao campo magnético da Terra (ou magnetosfera), a vida na Terra tornou-se possível.

Ventos solares

O Sol é uma grande fornalha nuclear. Sem forma física sólida como aparenta, o Sol é, na verdade, uma bola de gás de plasma. Na sua superfície, o Sol atinge uma temperatura de cerca de 5700 Kelvin. Em camadas superiores, como a cromosfera e a coroa, a temperatura dispara para entre 30 mil Kelvin e 1 milhão Kelvin.

A coroa solar é tão quente que a gravidade do Sol não é mais suficiente para manter sua coesão. Essas partículas livres de plasma adquirem uma quantidade de energia cinética tão grande que simplesmente escapam para o espaço, viajando através do Sistema Solar em todas as direções por meio do campo magnético do Sol. É o que chamamos de vento solar.

Lembre-se que o Sol é feito de plasma, e plasma são partículas eletricamente carregadas, como prótons e elétrons livres. Partículas eletricamente carregadas interagem com campos magnéticos. Isso será importante para a próxima seção.

Ilustração (fora de escala) da interação do vento solar com a magnetosfera da Terra. Imagem: NASA.

Aurora borealis, as “luzes do norte”

Essas belíssimas “luzes do norte” (do latim, aurora borealis) são resultados diretos da interação dos ventos solares na magnetosfera da Terra. Parte das partículas recebidas pelos ventos solares podem se deslocar presas por essas linhas de campo em direção aos polos magnéticos, onde essas linhas são abertas.

Essas partículas eletricamente carregadas provenientes do vento solar, conduzidas aos polos através das linhas de campo da magnetosfera, colidem com os átomos da atmosfera. Esses átomos ganham energia, excitando seus elétrons e fazendo-os se deslocarem para orbitais mais energéticos. Quando os elétrons retornam para energias mais baixas, essa energia é liberada na forma de fótons, que vemos como luz visível: as auroras.

As cores das auroras

A cor das auroras, assim como a cor de qualquer gás ionizado, depende da sua composição. O ar que respiramos não é totalmente homogêneo, sua composição varia conforme a altitude devido às diferenças na densidade das moléculas que compõem o ar.

Diferentes cores aparecem conforme a altitude. Imagem: NASA/ESA.

Nas camadas mais altas da nossa atmosfera, acima de 240 km da superfície, o oxigênio atômico ionizado brilha em comprimentos de onda mais longos e, por isso, as auroras mais elevadas são vermelhas. No entanto, grande parte das vezes as partículas solares colidem com mais intensidade entre 100 e 240 km. Nessa altitude, a maior densidade de oxigênio atômico favorece o brilho verde.

Existem auroras azuis, elas acontecem quando o vento solar consegue atingir as camadas mais inferiores da atmosfera, abaixo de 100 km. A densidade ainda maior e o ar mais rico em nitrogênio molecular favorecem o brilho azul. Essas auroras azuis são bem raras e acontecem nos períodos de fortes tempestades solares.

Existem auroras no polo sul?

As auroras boreais são os fenômenos que ocorrem no hemisfério norte, mas as auroras podem ocorrer em qualquer um dos polos, seja no polo norte ou polo sul. As auroras que acontecem no hemisfério sul são chamadas de auroras austrais.

Aurora austral vista em Howden, no sul da ilha da Tasmânia. Imagem: Jonathan Esling.

A aurora austral não é tão famosa como a sua irmã gêmea do hemisfério norte porque o hemisfério sul próximo do círculo polar antártico é muito esparsamente povoado — na verdade, sua população é praticamente zero. Enquanto o círculo polar ártico corta países como a Noruega, Rússia, Canadá, Islândia e Finlândia, o círculo polar antártico corta apenas o continente da Antártica. Nem mesmo o Parque Nacional Cabo de Hornos, no Chile, o ponto mais meridional da América do Sul, chega perto do círculo polar antártico.

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HOSTI, B. P. Como ocorrem as auroras boreais?. Espaço-Tempo, 2024. Disponível em: https://www.espacotempo.com.br/como-ocorrem-as-auroras-boreais. Acesso em: 23 jul. 2024.

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduado em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pelo IAG/USP e pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Pesquisador nas áreas de astrofísica observacional e espectroscopia.

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