Apa yang menyebabkan perbedaan warna aurora? Seorang ahli menjelaskan pelangi listrik

Pekan lalu, jilatan api matahari yang sangat besar mengirimkan gelombang partikel energik dari Matahari ke luar angkasa. Selama akhir pekan, gelombang mencapai daratan, dan orang-orang di seluruh dunia senang melihat aurora borealis yang sangat terang di kedua belahan bumi.

Meskipun aurora borealis biasanya hanya terlihat di dekat kutub, aurora borealis tersebut terlihat pada akhir pekan ini. Selatan ke Hawaii Di Belahan Bumi Utara, dan Sejauh utara sampai Mackay di selatan.

Lonjakan aktivitas aurora yang spektakuler ini tampaknya telah berakhir, namun jangan khawatir jika Anda melewatkannya. Matahari mendekati puncaknya Siklus bintik matahari berlangsung selama 11 tahunPeriode senja yang intens kemungkinan akan kembali terjadi sekitar tahun depan.

Jika Anda pernah melihat aurora borealis, atau salah satu gambarnya, Anda mungkin bertanya-tanya apa yang sebenarnya terjadi. Apa yang membuat cahaya dan warna berbeda? Jawabannya adalah tentang atom, bagaimana mereka tereksitasi, dan bagaimana mereka berelaksasi.

Ketika elektron bertemu atmosfer

Aurora disebabkan oleh partikel subatom bermuatan (kebanyakan elektron) yang bertabrakan dengan atmosfer bumi. Unsur-unsur ini dipancarkan oleh matahari sepanjang waktu, namun jumlahnya lebih banyak pada saat aktivitas matahari lebih besar.

Sebagian besar atmosfer kita terlindungi dari aliran partikel bermuatan oleh medan magnet bumi. Namun di dekat kutub, mereka bisa menyelinap masuk dan menimbulkan kekacauan.

Atmosfer bumi terdiri dari sekitar 20% oksigen dan 80% nitrogen, dengan sejumlah kecil bahan lain seperti air, karbon dioksida (0,04%), dan argon.

Ketika elektron berkecepatan tinggi bertabrakan dengan molekul oksigen di atmosfer bagian atas, mereka memecah molekul oksigen (O₂) menjadi atom individu. Sinar ultraviolet dari matahari juga melakukan hal ini, dan atom oksigen yang dihasilkan dapat bereaksi dengan molekul O₂ untuk menghasilkan ozon (O₃), molekul yang melindungi kita dari sinar UV yang berbahaya.

Namun dalam kasus aurora, atom oksigen yang dihasilkan berada dalam keadaan tereksitasi. Artinya elektron-elektron atom tersusun tidak stabil dan dapat “relaksasi” dengan melepaskan energi dalam bentuk cahaya.

Apa yang membuat lampu hijau?

Seperti yang Anda lihat pada kembang api, atom-atom dari berbagai unsur menghasilkan warna cahaya yang berbeda ketika diberi energi.

Atom tembaga mengeluarkan cahaya biru, atom barium mengeluarkan cahaya hijau, dan atom natrium menghasilkan warna kuning-oranye yang mungkin juga Anda lihat pada lampu jalan kuno. Emisi ini “diizinkan” berdasarkan aturan mekanika kuantum, yang berarti terjadi dengan sangat cepat.

Ketika atom natrium berada dalam keadaan tereksitasi, atom tersebut hanya bertahan di sana selama 17 miliar detik sebelum memancarkan foton berwarna kuning-oranye.

Namun, di aurora, banyak atom oksigen tercipta dalam keadaan tereksitasi tanpa cara yang “diizinkan” untuk bersantai dengan memancarkan cahaya. Namun, alam menemukan jalannya.

Cahaya hijau yang mendominasi aurora dipancarkan oleh atom oksigen yang mengendur dari keadaan yang disebut “¹S” ke keadaan yang disebut “¹D.” Ini adalah proses yang relatif lambat, rata-rata memakan waktu sekitar satu detik penuh.

Faktanya, transisi ini sangat lambat sehingga biasanya tidak terjadi pada tekanan udara yang kita lihat di permukaan tanah, karena atom yang tereksitasi akan kehilangan energi karena bertabrakan dengan atom lain sebelum atom tersebut sempat mengirimkan foton hijau yang indah. Namun di lapisan atas atmosfer, yang tekanan udaranya lebih kecil sehingga molekul oksigennya lebih sedikit, mereka punya lebih banyak waktu sebelum saling bertumbukan sehingga punya peluang melepaskan foton.

Oleh karena itu, para ilmuwan membutuhkan waktu lama untuk mengetahui bahwa lampu hijau aurora berasal dari atom oksigen. Cahaya natrium yang berwarna kuning-oranye telah diketahui pada tahun 1860an, namun baru diketahui pada tahun 1920an. Ilmuwan Kanada Saya menemukan bahwa warna hijau krepuskular disebabkan oleh oksigen.

Apa yang membuat lampu menjadi merah?

Lampu hijau berasal dari apa yang disebut transisi “terlarang”, yang terjadi ketika sebuah elektron dalam atom oksigen melakukan lompatan tak terduga dari satu pola orbit ke pola orbital lainnya. (Transisi yang dilarang jauh lebih kecil kemungkinannya dibandingkan transisi yang diizinkan, yang berarti transisi tersebut membutuhkan waktu lebih lama untuk terjadi.)

Namun, bahkan setelah memancarkan foton hijau itu, atom oksigen tetap berada dalam keadaan tereksitasi lain tanpa memungkinkan relaksasi. Satu-satunya jalan keluar adalah melalui transisi lain yang diblokir, dari keadaan ¹D ke keadaan ³P – yang memancarkan lampu merah.

Transisi ini semakin diblokir, dan status ¹D harus tetap ada selama sekitar dua menit sebelum akhirnya dapat melanggar aturan dan memberikan lampu merah. Karena memakan waktu lama, lampu merah hanya muncul di ketinggian, di mana jarang terjadi tabrakan dengan atom dan molekul lain.

Selain itu, karena terdapat sedikit oksigen di sana, cahaya merah cenderung hanya muncul pada aurora yang intens, seperti yang baru saja kita lihat.

Inilah sebabnya mengapa lampu merah muncul di atas hijau. Meskipun keduanya muncul dari relaksasi atom oksigen terlarang, cahaya merah dipancarkan jauh lebih lambat dan memiliki peluang lebih besar untuk padam akibat tumbukan dengan atom lain di ketinggian yang lebih rendah.

Warna lain, dan mengapa kamera melihatnya lebih baik?

Meskipun hijau adalah warna paling umum yang terlihat pada aurora borealis, dan merah adalah warna paling umum kedua, ada juga warna lain. Khususnya, molekul nitrogen terionisasi (N₂⁺, yang kehilangan satu elektron dan mempunyai muatan listrik positif), dapat memancarkan cahaya biru dan merah. Hal ini dapat menghasilkan warna ungu pada ketinggian yang lebih rendah.

Semua warna ini terlihat dengan mata telanjang jika aurora cukup terang. Namun, keduanya tampak lebih kuat di jendela bidik.

Ada dua alasan untuk ini. Pertama, kamera memiliki keunggulan eksposur panjang, yang berarti kamera dapat menghabiskan lebih banyak waktu mengumpulkan cahaya untuk menghasilkan gambar dibandingkan mata kita. Alhasil, mereka bisa mengambil foto dalam kondisi redup.

Alasan kedua adalah sensor warna di mata kita tidak berfungsi dengan baik dalam gelap, sehingga kita cenderung melihat hitam putih dalam kondisi minim cahaya. Kamera tidak memiliki batasan ini.

Tapi tidak perlu khawatir. Saat aurora cukup terang, warnanya akan terlihat jelas dengan mata telanjang.

Baca selengkapnya: Apa itu aurora borealis, dan mengapa bentuk dan warnanya berbeda? Dua ahli menjelaskan