Grazie a una fotocamera iperspettrale, un team di ricerca giapponese è riuscito a stimare con precisione l’altitudine delle aurore polari di colore blu utilizzando un metodo del tutto nuovo: per la prima volta, una sola telecamera è bastata per determinare a che quota brillano gli spettacolari drappeggi di luce nel cielo.
L’esperimento, pubblicato su Scientific Reports è stato condotto a Kiruna, in Svezia, nelle prime ore del 21 ottobre 2023, quando un’aurora blu ha illuminato i cieli artici. L’osservazione è stata realizzata dal National Institute for Fusion Science (Giappone), nell’ambito di una collaborazione internazionale.
Le aurore polari nascono quando le particelle cariche provenienti dal vento solare si scontrano con gli atomi e le molecole dell’atmosfera terrestre — soprattutto ossigeno e azoto — eccitandoli e facendoli emettere luce.
I vari colori (verde, rosso, viola, blu) dipendono dal tipo di atomo o molecola coinvolti e dalla quantità di energia rilasciata.
Osservando la luce aurorale, gli scienziati possono dedurre l’energia e quindi la velocità delle particelle che precipitano e le condizioni dell’atmosfera superiore.
Finora per stimare l’altezza delle aurore era necessario utilizzare due o più telecamere, posizionate in luoghi diversi, per ottenere immagini stereoscopiche. In generale, infatti, una singola telecamera non può risolvere la distribuzione verticale dell’intensità di emissione perché la quantità misurata è integrata lungo la linea di vista.
Il nuovo metodo, invece, si ispira a una tecnica usata negli studi di plasma in laboratorio: analizza l’intersezione tra la luce emessa dall’aurora e la l’asse ottico della telecamera. In questo caso, i ricercatori hanno sfruttato le emissioni aurorali eccitate dalla luce solare diffusa per risonanza, rendendo possibile calcolare l’altitudine anche con una singola telecamera iperspettrale.
Le fotocamere iperspettrali sono strumenti in grado di rilevare le variazioni di colore (lunghezza d’onda) con un dettaglio finissimo.
A differenza delle fotocamere tradizionali, che durante il crepuscolo confondono la luce solare riflessa con quella aurorale, il sensore iperspettrale riesce a separare con precisione le due componenti e a misurare l’intensità della luce in funzione dell’altezza.
Analizzando l’aurora blu del 21 ottobre 2023 con la fotocamera HyperSpectral per l’imaging aurorale (HySCAI), che fornisce un’immagine bidimensionale (2D) dell’aurora con uno spettro completo, il team è riuscito a mappare la distribuzione verticale degli ioni molecolari di azoto, responsabili di una parte importante dell’emissione aurorale.
Uno dei punti di forza di HySCAI risiede nella sua capacità di analizzare quantitativamente le emissioni delle aurore boreali anche in presenza di contaminazione da parte della luce solare, sottraendo il fondo dello spettro.
Le osservazioni mostrano che, mentre di notte l’emissione blu è più intensa intorno ai 130 km di quota, al crepuscolo il picco si sposta fino a circa 200 km, indicando la presenza di ioni di azoto molto più in alto di quanto si pensasse. Inoltre anche quelle tendenti al violetto (azoto neutro e alcune transizioni dell’azoto ionizzato) tendono ad apparire a quote più alte rispetto alle stime precedenti, anche a 150–200 km di quota in condizioni normali.
Questo risultato conferma e rafforza precedenti indizi teorici sull’esistenza di ioni molecolari di azoto ad alta quota e fornisce nuovi dati per migliorare i modelli fisici della ionosfera e dei processi che danno origine alle aurore.
Secondo i ricercatori, il metodo inaugurato con questa osservazione apre nuove prospettive per la ricerca sulle aurore, permettendo di studiare con maggiore precisione le variazioni temporali e altitudinali delle emissioni aurorali durante il crepuscolo.
In futuro, saranno condotte collaborazioni internazionali per applicare la tecnica in altri siti artici e confrontare i risultati con le osservazioni satellitari.
