物理学家首次确认了导致极光的神秘波


物理学家首次确认了导致极光的神秘波

我们的天空可以聚集的最令人叹为观止的美丽景色之一是极光的舞动。然而,这种迷人的现象仍然没有被完全理解。

我们知道它是由太阳风暴吹进来的粒子产生的,这些粒子沿着地球的磁场线加速到高纬度地区,然后降落到高层大气中。在那里,与大气中粒子的相互作用产生了在天空中闪烁的光幕。

现在,科学家们首次通过在实验室中复制该过程,证明并证实了粒子加速发生的机制。正如科学家们所想的那样,被称为阿尔文波的强大电磁波会沿着磁场线加速电子。

爱荷华大学的物理学家 Craig Kletzing 说:“这些波可以为产生极光的电子提供能量的想法可以追溯到 40 多年前,但这是我们第一次能够明确地确认它有效。”

“这些实验让我们进行了关键测量,表明空间测量和理论确实解释了产生极光的主要方式。”

我们早就知道阿尔文波了。它们首先由瑞典电气工程师 Hannes Alfvén 在 1942 年描述 - 沿磁场线传播的电流体中的横波。这种波是磁流体动力系统中能量和动量传输的重要机制;也就是说,它们可以加速粒子。

已经在地球的磁场线中观察到阿尔文波,航天器甚至在极光上方观察到了地球上的阿尔文波。人们普遍认为阿尔文波在极光电子加速中起作用——但确定确切的作用有些棘手。

因此,由惠顿学院的物理学家 Jim Schroeder 领导的一组科学家使用加州大学洛杉矶分校的大型等离子体装置 ( LAPD ) 仔细研究了这一现象。这是一个长 20 米(66 英尺)、直径 1 米(3.3 英尺)的圆柱形真空室,具有强大的磁场。

加州大学洛杉矶分校的物理学家特洛伊卡特说: “这项具有挑战性的实验需要测量以几乎与阿尔文波相同的速度沿 LAPD 腔室移动的极少量电子,数量不到等离子体中电子的千分之一。.

该团队在 LAPD 的等离子体中产生了阿尔文波,并在与极光形成相关的条件下同时测量了电子速度分布。他们发现阿尔文波将能量传递给电子,并与波发生共振——速度与波的相速度相似。

爱荷华大学的物理学家格雷格豪斯说: “测量表明,这一小群电子在阿尔文波的电场作用下经历了‘共振加速’,类似于冲浪者抓住波浪并随着冲浪者随着波浪移动而不断加速。” .

这个过程被称为朗道阻尼,因为能量从波到粒子的传递会抑制波,从而防止出现不稳定性。根据该团队的分析,电子速度产生的特征是朗道阻尼的已知特征,表明发生了共振加速。

通过将他们的结果与模型极光进行比较,该团队能够证明电子的通电率与真实物体中的朗道阻尼一致。

研究人员写道:“实验与极光模型之间每个电子的通电率的一致性建立了最终的联系,以表明我们已经提供了直接的实验证实,即阿尔文波可以加速沉淀到电离层中的电子并产生极光的迷人光芒。”

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