Aurora borealis di hemisfera utara dan aurora australis di hemisfera selatan ialah cahaya atmosfera yang berkait dengan interaksi antara persekitaran angkasa yang dipengaruhi Matahari dengan magnetosfera Bumi. Apabila zarah bertenaga memasuki atmosfera atas, ia berlanggar dengan atom dan molekul gas, lalu tenaga berpindah kepada gas itu dan kemudian dipancarkan sebagai cahaya.
Dalam satu tirai aurora yang sama, kita boleh melihat jalur hijau yang terang, bahagian atas yang kemerahan dan pinggir bawah yang berona merah jambu atau kebiruan. Pembahagian warna ini bergantung terutamanya pada jenis gas, keadaan tenaganya dan ketinggian tempat pancaran itu berlaku.
Dari Matahari ke atmosfera Bumi
Matahari sentiasa melepaskan angin suria, iaitu aliran zarah bercas dan medan magnet merentasi Sistem Suria. Apabila angin suria tiba di Bumi, ia berinteraksi dengan magnetosfera, kawasan angkasa yang dikuasai oleh medan magnet Bumi.
Magnetosfera bukan dinding yang menolak semua zarah. Interaksinya dengan angin suria boleh menyimpan dan memindahkan tenaga, dan proses seperti penyambungan semula magnet boleh membebaskan tenaga itu lalu mempercepatkan zarah. Sebahagian zarah mengikut medan magnet menuju atmosfera atas di latitud tinggi dan berlanggar dengan gas di sana. Gambaran bahawa zarah Matahari terus menembusi atmosfera lalu bercahaya terlalu ringkas bagi kebanyakan aurora Bumi.
Bagaimana perlanggaran menghasilkan cahaya?
Atom dan molekul hanya boleh berada dalam keadaan tenaga tertentu. Apabila perlanggaran memindahkan tenaga yang cukup, ia menjadi teruja, tetapi keadaan itu tidak kekal. Apabila kembali ke keadaan tenaga lebih rendah, sebahagian perbezaan tenaga dilepaskan sebagai foton. Tenaga foton menentukan panjang gelombangnya, dan dalam julat cahaya nampak, panjang gelombang inilah yang kita lihat sebagai warna.
Maka warna aurora bukan cat yang dibawa oleh angin suria. Cahaya itu dipancarkan oleh gas atmosfera selepas menerima tenaga.
Hijau, merah dan peranan ketinggian
Warna aurora yang paling biasa ialah hijau, yang datang daripada oksigen atom pada garis spektrum sekitar 557.7 nanometer. Menurut NASA, pancaran hijau ini lazimnya berlaku pada ketinggian kira-kira 100 hingga 200 kilometer. Oksigen yang sama juga boleh menghasilkan cahaya merah pada garis sekitar 630.0 nanometer, terutama pada ketinggian lebih besar, iaitu secara umum melebihi kira-kira 200 kilometer.
Sebabnya terletak pada jangka hayat keadaan teruja. Keadaan oksigen yang memancarkan merah bertahan agak lama sebelum memancarkan foton. Di atmosfera yang padat, atom itu cenderung berlanggar dengan zarah lain dahulu dan kehilangan tenaga tanpa memancarkan cahaya, satu proses yang dipanggil pelindapan perlanggaran. Pada ketinggian yang lebih besar, apabila atmosfera semakin nipis, atom itu lebih berpeluang memancarkan cahaya merah sebelum kehilangan tenaga melalui perlanggaran. Jadi warna ditentukan bukan hanya oleh jenis gas, malah oleh ketumpatan udara pada ketinggian tersebut.
Dari mana datangnya biru, ungu dan merah jambu?
Nitrogen turut menyumbang. Menurut NASA, nitrogen yang teruja pada ketinggian sekitar 100 hingga 200 kilometer boleh menghasilkan cahaya biru, manakala interaksi nitrogen pada ketinggian lebih rendah boleh menyumbang rona merah jambu. NOAA pula mengenal pasti pancaran biru-ungu daripada nitrogen molekul, termasuk garis sekitar 427.8 nanometer.
Beberapa pancaran juga boleh bertindih pada penglihatan kita sehingga aurora nampak ungu, merah jambu atau hampir putih. Peraturan ringkas seperti oksigen hijau dan nitrogen ungu hanya sesuai sebagai pengenalan, kerana satu unsur boleh memancarkan lebih daripada satu panjang gelombang.
Mengapa aurora terletak berhampiran kutub?
Medan magnet Bumi membimbing zarah bercas sehingga pemendakannya ke atmosfera tertumpu dalam kawasan berbentuk gelang di sekitar kutub magnet, yang dipanggil oval aurora, bukan pada satu titik di kutub. Apabila aktiviti geomagnet meningkat, oval ini boleh meluas ke latitud lebih rendah. NOAA menggunakan indeks Kp, dari 0 hingga 9, sebagai salah satu ukuran aktiviti tersebut.
Namun Kp tinggi bukan jaminan seseorang akan melihat aurora. Kegelapan langit, awan, cahaya buatan dan lokasi pemerhati turut menentukan kebolehlihatan.
Bagaimanakah kita tahu gas apa yang menghasilkan sesuatu warna?
Sebuah aurora memancarkan cahaya hijau yang kuat pada sekitar 557.7 nm. Apakah penjelasan yang paling tepat?