物理学家报告关于极光是如何产生的确凿证据


由爱荷华大学领导的物理学家们报告了明确的证据:照亮高纬度地区天空的极光是由一种叫做阿尔芬波的强大电磁力加速的电子引起的。奥斯汀蒙特利斯,爱荷华大学

几千年来,充满高纬度地区天空的北极光一直吸引着人们。但它们是如何被创造出来的,虽然只是理论上的,但还没有得到最终的证明。

在一项新的研究中,由爱荷华大学领导的物理学家团队报告了最明确的证据表明,最辉煌的极光是在地磁风暴期间强大的电磁波生产的。该现象称为Alfven Wave,将电子朝向地球加速,导致颗粒产生熟悉的大气光展示。

这项研究于6月7日在线发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,该研究结束了一项长达数十年的探索,即在与地球极光磁层相对应的条件下,通过实验证明阿尔芬波加速电子的物理机制。

“测量显示这个小人口的电子发生“共振加速度”阿尔芬波的电场,类似于一个冲浪者抓一波和被不断加速的冲浪者沿着波,”格雷格•豪斯说物理学和天文学学系的副教授爱荷华州和研究的合著者。

科学家们已经知道,从太阳中散发出的激励粒子 - 例如每小时4500万英里的电子赛车 - 沿着地球的磁场线沉淀到高层大气中,在那里它们与氧气和氮分子碰撞,将它们撞击一个激动的状态。这些激发的分子通过发光来放松,产生极光的色彩色彩。

这一理论得到了航天器任务的支持,航天器经常发现阿尔芬波在极光上方向地球传播,据推测,阿尔芬波会加速沿途的电子运动。虽然空间测量支持这一理论,但航天器和火箭测量所固有的局限性妨碍了最终试验。

物理学家们在加州大学洛杉矶分校基础等离子体科学设施的大型等离子体设备(LPD)进行的一系列实验中找到了确定的证据,LPD是由美国能源部和国家科学基金会共同支持的一个国家合作研究设施。

“这些波可以激励创造极光的电子的想法回到了四十年的时间,但这是我们第一次能够确认它的工作原理,”物理系教授克雷格克莱斯说:“克雷格克莱斯(Craig Kletzing)说爱荷华州和一名学习共同作者的天文学。“这些实验让我们制作关键测量,表明空间测量和理论确实解释了创建极光的主要方式。”

在波浪电场上的电子“冲浪”现象是称为Landau阻尼的理论过程,首先由俄罗斯物理学家Lev Landau提出1946年。通过数值模拟和数学建模,研究人员展示了他们的实验结果同意随着Landau阻尼的预测签名。

加州大学洛杉矶分校物理学教授、加州大学洛杉矶分校等离子体科学技术研究所主任特洛伊·卡特说,实验、模拟和建模的一致性提供了阿尔芬波可以产生加速电子,从而引发极光的第一个直接证据。

“这种具有挑战性的实验需要测量非常小的电子群体以几乎与Alfven波的速度升高,以达到相同的速度,在等离子体中的数千个电子中不到一个,”卡特说。

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惠顿学院(Wheaton College)物理学助理教授、该研究的通讯作者詹姆斯·施罗德(James Schroeder)在爱荷华州获得了博士学位。UI物理和天文系的教授弗雷德里克·斯基夫(Frederick Skiff)是这项研究的合著者。加州大学洛杉矶分校空间科学研究所的斯蒂芬·文森纳和塞思·多夫曼是该研究所的特约作者。

详情请参阅:https://homepage.physics.uiowa.edu/~ghowes/research/aurora.html

美国国家科学基金会、美国能源部和美国宇航局资助了这项研究。

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