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天空中舞动的唯美极光,是地球上最令人叹为观止的情景之一。但多年以来,这种征象发生的缘故原由并没有被完全明白。

在最近一篇揭晓在《自然·通讯》上的论文中,科学家通过在地面模拟极光,最终将极光中粒子的加速机制指向了阿尔文波。

阿尔文波看法已降生近80年

众所周知,极光是由太阳风暴吹来的粒子发生的,这些被加速的粒子沿着地球的磁感线汇聚到高纬度区域,然后如雨点般击中上层大气,与大气中的粒子相互作用形成了天空中闪灼的光幕。

现在,科学家们通过在实验室中复制该历程,首次证实并确认了粒子加速发生的机制。正如科学家们所想的那样,正是被称为阿尔文波(Alfvén waves)的壮大电磁波在沿着磁感线加速电子。

美国爱荷华大学的物理学家Craig Kletzing说:“这些电磁波可以为缔造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证实它的作用。这些实验让我们举行了要害丈量,解释空间丈量和理论确实注释了发生极光的主要方式。”

阿尔文波并不是很新的看法。它的看法是由诺贝尔奖得主、瑞典物理学家汉尼斯·阿尔文(Hannes Alfvén)在1942年首次形貌的,即一种导电流体中沿着磁感线偏向流传的横波。这种波是磁流体力学系统中能量和动量传输的主要机制。也就是说,它可以加速粒子。

阿尔文波在地球磁感线中已经被观察到了,而航天器甚至在极光之上考察到了朝向地面的阿尔文波。人们普遍以为阿尔文波在极光的电子加速中施展了作用,但查明确切的作用机制并不容易。

使用大型等离子体装置举行实验

因此,由美国惠顿学院的物理学家Jim Schroeder向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)仔细地考察了这一征象。LAPD是一个长20米、直径1米的圆柱形真空舱,其中拥有壮大的磁场。

美国加州大学洛杉矶分校的物理学家Troy Carter说:“这项具有挑战性的实验需要丈量少少量的电子,其数目不到等离子体中电子的千分之一,这些电子以险些与阿尔文波相同的速率沿LAPD舱移动。”

研究小组在LAPD舱的等离子体中天生了阿尔文波,同时在与极光形成相似的条件下丈量电子速率漫衍。他们发现阿尔文波通过波共振将能量转达给电子,共振的速率类似于波的相速率。

爱荷华大学的物理学家Greg Howes说:“丈量解释,这一小群电子在阿尔文波的电场作用下履历了‘共振加速’,类似于冲浪运发动紧跟浪头,随着海浪移动而不停加速。”

这个历程被称为朗道阻尼(Landau damping),由于能量从波到粒子的转达对波造成了阻尼,从而防止泛起不稳固性。凭证研究小组的剖析,电子速率发生的特征是朗道阻尼的已知特征,这解释发生了共振加速。

通过将他们的效果与极光模子举行对照,研究小组能够证实电子的通电率(energization rate)与现实中的朗道阻尼一致。

研究职员写道:“实验和极光模子之间每个电子的通电率是一致的。这一效果证实了最终所需要的关联,而且解释我们已经给出了直接的实验确证,即阿尔文波可以加速沉降到电离层中的电子,并发生迷人耀眼的极光。”

(Michelle Starr撰文、Jubilee翻译,据《全球科学》)

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