Capturan la primera distribución precisa de altitud de auroras azules

El Instituto de Ciencia de Fusión instaló la Cámara Hiperespectral para Imágenes Aurorales (HySCAI) en Kiruna, Suecia, en mayo de 2023 y comenzó observaciones a gran escala en septiembre del mismo año. Un grupo de investigación ha logrado observar la distribución de altitud de las auroras de iones de nitrógeno azul (N2?) que emiten luz durante el crepúsculo astronómico utilizando HySCAI.

Esta investigación desarrolló un método completamente novedoso, aprovechando el fenómeno donde la altitud a la que la luz solar ilumina la aurora cambia a medida que avanza el crepúsculo. Esto permitió observar con precisión la distribución de altitud de la intensidad de emisión del ion nitrógeno. Se encontró que el pico se localizaba a una altitud de aproximadamente 200 km, exhibiendo una intensidad extremadamente alta.

Las auroras son fenómenos naturales donde los electrones del espacio colisionan con la atmósfera terrestre (oxígeno y nitrógeno) y emiten luz. Los diversos colores—rojo, verde, púrpura, etc.—dependen de qué átomos o moléculas emiten luz y cómo cambia la energía. Esta luz contiene información oculta sobre la velocidad de las partículas que caen y las condiciones de la atmósfera.

¿A qué altura brillan?

Si bien las auroras parecen extenderse por el cielo cuando se observan desde el suelo, determinar su altitud real ha sido un desafío. Los métodos convencionales implican establecer múltiples cámaras en diferentes ubicaciones para capturar imágenes estereoscópicas, lo que permite estimar la altura. Se creía que una sola cámara no podría determinar la altitud.

Los investigadores se inspiraron en estudios de plasma en laboratorios. Allí, una técnica establecida consistía en disparar un haz de partículas y determinar la profundidad mediante la intersección de la luz excitada por ese haz y la línea de visión de la observación.

Esta vez, aplicada a la aurora, se utilizaron las emisiones aurorales excitadas por la luz solar (luz dispersada resonante). Al utilizar la intersección de esta luz y la línea de visión de la cámara, se hizo posible la estimación de altura con solo una cámara.

El estudio fue publicado en la revista Geophysical Research Letters.

Fortaleza de la cámara hiperespectral

Con cámaras ordinarias u observaciones filtradas, durante un crepúsculo astronómico al amanecer, la reflexión de la luz solar y la luz dispersada resonante se mezclan, lo que dificulta su distinción. Sin embargo, la cámara hiperespectral puede observar información de color (longitud de onda) de la luz con un detalle extremadamente fino, lo que le permite separar y capturar con precisión ambos componentes.

Respecto a la aurora azul observada en Kiruna, Suecia, en la madrugada del 21 de octubre de 2023, el equipo de investigación analizó datos utilizando una cámara hiperespectral instalada por el Instituto Nacional de Ciencia de Fusión. Lograron estimar la distribución precisa de altitud de los iones moleculares de nitrógeno (N₂⁺) responsables de las emisiones de la aurora.

Es bien sabido que durante las emisiones aurorales nocturnas, la emisión de iones moleculares de nitrógeno es más fuerte a una altitud de aproximadamente 130 km. Sin embargo, esta observación durante el amanecer (crepúsculo astronómico) reveló que la tasa de aumento en la intensidad de emisión alcanza su punto máximo a una altitud de 200 km.

Esto indica directamente que, al menos durante el crepúsculo, la emisión a la alta altitud de 200 km es excepcionalmente fuerte, sugiriendo la posibilidad de que los iones moleculares de nitrógeno existan a tales altitudes.

Este resultado confirma observaciones previas que sugieren que la densidad de iones moleculares de nitrógeno a altas altitudes puede ser mayor de lo que se pensaba anteriormente, al tiempo que permite verificar modelos teóricos sobre los procesos físicos involucrados en la formación de auroras. Las observaciones de alta precisión utilizando cámaras hiperespectrales abren nuevas avenidas para la investigación de auroras.