<var id="lxrx7"></var>
<cite id="lxrx7"></cite>
<var id="lxrx7"></var> <var id="lxrx7"><video id="lxrx7"></video></var>
<ins id="lxrx7"><span id="lxrx7"><var id="lxrx7"></var></span></ins>
<var id="lxrx7"><strike id="lxrx7"></strike></var>
<var id="lxrx7"></var>
<menuitem id="lxrx7"><strike id="lxrx7"></strike></menuitem>
您的位置:

首頁 >> 科學普及 >> 天文地理


一項新實驗證實了極光背后的“舊”猜想

[ 來源:環球科學 | 作者:本站 | 發布時間:2021-06-18 | 瀏覽:168次 ]

天空中舞動的唯美極光,是地球上最令人嘆為觀止的景象之一。但多年以來,這種現象產生的原因并沒有被完全理解。

在最近一篇發表在《自然·通訊》上的論文中,科學家通過在地面模擬極光,最終將極光中粒子的加速機制指向了阿爾文波。

阿爾文波概念已誕生近80年

眾所周知,極光是由太陽風暴吹來的粒子產生的,這些被加速的粒子沿著地球的磁感線匯聚到高緯度地區,然后如雨點般擊中上層大氣,與大氣中的粒子互相作用形成了天空中閃耀的光幕。

如今,科學家們通過在實驗室中復制該過程,首次證明并確認了粒子加速發生的機制。正如科學家們所想的那樣,正是被稱為阿爾文波(Alfvén waves)的強大電磁波在沿著磁感線加速電子。

美國愛荷華大學的物理學家Craig Kletzing說:“這些電磁波可以為創造極光的電子提供能量的想法,可以追溯到40多年前,但這是我們第一次能夠明確證實它的作用。這些實驗讓我們進行了關鍵測量,表明空間測量和理論確實解釋了產生極光的主要方式?!?

阿爾文波并不是很新的概念。它的概念是由諾貝爾獎得主、瑞典物理學家漢尼斯·阿爾文(Hannes Alfvén)在1942年首次描述的,即一種導電流體中沿著磁感線方向傳播的橫波。這種波是磁流體力學系統中能量和動量傳輸的重要機制。也就是說,它可以加速粒子。

阿爾文波在地球磁感線中已經被觀測到了,而航天器甚至在極光之上觀察到了朝向地面的阿爾文波。人們普遍認為阿爾文波在極光的電子加速中發揮了作用,但查明確切的作用機制并不容易。

使用大型等離子體裝置進行實驗

因此,由美國惠頓學院的物理學家Jim Schroeder領導的一組科學家使用加州大學洛杉磯分校的大型等離子體裝置(LAPD)仔細地觀察了這一現象。LAPD是一個長20米、直徑1米的圓柱形真空艙,其中擁有強大的磁場。

美國加州大學洛杉磯分校的物理學家Troy Carter說:“這項具有挑戰性的實驗需要測量極少量的電子,其數量不到等離子體中電子的千分之一,這些電子以幾乎與阿爾文波相同的速度沿LAPD艙移動?!?

研究小組在LAPD艙的等離子體中生成了阿爾文波,同時在與極光形成相似的條件下測量電子速度分布。他們發現阿爾文波通過波共振將能量傳遞給電子,共振的速度類似于波的相速度。

愛荷華大學的物理學家Greg Howes說:“測量表明,這一小群電子在阿爾文波的電場作用下經歷了‘共振加速’,類似于沖浪運動員緊跟浪頭,隨著波浪移動而不斷加速?!?

這個過程被稱為朗道阻尼(Landau damping),因為能量從波到粒子的傳遞對波造成了阻尼,從而防止出現不穩定性。根據研究小組的分析,電子速度產生的特征是朗道阻尼的已知特征,這表明發生了共振加速。

通過將他們的結果與極光模型進行比較,研究小組能夠證明電子的通電率(energization rate)與現實中的朗道阻尼一致。

研究人員寫道:“實驗和極光模型之間每個電子的通電率是一致的。這一結果證實了最終所需要的關聯,并且表明我們已經給出了直接的實驗確證,即阿爾文波可以加速沉降到電離層中的電子,并產生迷人耀眼的極光?!?