最璀璨壮丽的极光是由地磁暴期间的强大电磁波产生的,这种现象被称为阿尔芬波

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据外媒报道,在高纬度地区天空出现的极光,或称北极光,几千年来一直让人们着迷。但它们是如何产生的,虽然有理论依据,但没有得到确切的证明。在一项新研究中,由爱荷华大学领导的一个物理学家小组报告了明确的证据,即最璀璨壮丽的极光是由地磁暴期间的强大电磁波产生的。这种现象被称为阿尔芬波,它加速电子向地球移动,导致粒子产生熟悉的大气“灯光秀”。

这项研究于6月7日在线发表在《自然-通讯》杂志上,它结束了数十年来的探索,即在与地球极光磁层相应的条件下,通过实验证明阿尔芬波加速电子的物理机制。

爱荷华大学物理和天文学系副教授、研究报告共同作者Greg Howes说:“测量结果显示,这一小部分电子在阿尔芬波的电场作用下经历了‘共振加速’,类似于冲浪者抓住一个波浪,在冲浪者随波逐流时不断被加速。”

科学家们已经知道,从太阳发出的高能粒子–例如以大约每小时4500万英里的速度飞驰的电子–沿着地球的磁场线沉淀到大气层上部,在那里它们与氧气和氮气分子碰撞,使它们处于一个激发状态。这些受激分子通过发光而放松,产生了极光的五彩缤纷的色调。

该理论得到了航天器任务的支持,这些任务经常发现阿尔芬波在极光上方向地球移动,可能沿途加速了电子。虽然基于空间的测量支持了这一理论,但航天器和火箭测量的固有限制阻碍了一个明确的测试。

物理学家们能够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装置(LPD)进行的一系列实验中找到确认的证据,该设施是由美国能源部和国家科学基金会共同支持的国家合作研究设施。

爱荷华大学物理和天文学系教授、该研究的共同作者Craig Kletzing说:“这些波可以给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的作用。这些实验让我们进行了关键的测量,表明空间测量和理论确实解释了极光产生的一个主要方式。”

电子在波的电场上“冲浪”的现象是一个被称为“朗道阻尼”(Landau damping)的理论过程,由俄罗斯物理学家Lev Landau在1946年首次提出。通过数值模拟和数学建模,研究人员证明他们的实验结果与“朗道阻尼”的预测特征一致。

加州大学洛杉矶分校物理学教授兼加州大学洛杉矶分校等离子体科学和技术研究所所长 Troy Carter说,实验、模拟和建模的一致提供了第一个直接证据,证明阿尔芬波可以产生加速电子,导致极光。

Carter表示:“这个具有挑战性的实验需要测量在LPD室中以几乎与阿尔芬波相同的速度移动的非常小的电子群,其数量不到等离子体中电子的千分之一。”

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