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诺奖得主80年前的发现,揭开地球最美现象背后的秘密

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【摘要】 图片来源:pixabay 天空中舞动的唯美极光,是地球上最令人叹为观止的景象之一。但多年以来,这种现象产生的原因并没有被完全理解。而最近一篇发表在《自然 · ......

图片来源:pixabay

天空中舞动的唯美极光,是地球上最令人叹为观止的景象之一。但多年以来,这种现象产生的原因并没有被完全理解。而最近一篇发表在《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。

撰文|Michelle Starr

翻译|Jubilee

审校|王昱

众所周知,极光是由太阳风暴吹来的粒子产生的,这些被加速的粒子沿着地球的磁感线汇聚到高纬度地区,然后如雨点般击中上层大气,与大气中的粒子互相作用形成了天空中闪耀的光幕。

如今,科学家们通过在实验室中复制该过程,首次证明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)的强大电磁波在沿着磁感线加速电子

爱荷华大学的物理学家 Craig Kletzing 说:" 这些电磁波可以为创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。"

极光产生原因示意图(图片来源:Austin Montelius, College of Liberal Arts and Sciences, University of Iowa)

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阿尔文波并不是很新的概念。它的概念是由诺贝尔奖得主,瑞典物理学家汉尼斯 · 阿尔文(Hannes Alfvén)在 1942 年首次描述的,即一种导电流体中沿着磁感线方向传播的横波。这种波是磁流体力学系统中能量和动量传输的重要机制。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测到了,而航天器甚至在极光之上观察到了朝向地面的阿尔文波。人们普遍认为阿尔文波在极光的电子加速中发挥了作用,但查明确切的作用机制并不容易

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 ) 仔细地观察了这一现象。LAPD 是一个长 20 米、直径 1 米的圆柱形真空舱,其中拥有强大的磁场。

LAPD 实验装置(图片来源:Basic Plasma Science Facility/UCLA)

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测量极少量的电子,其数量不到等离子体中电子的千分之一,这些电子以几乎与阿尔文波相同的速度沿 LAPD 舱移动。"

研究小组在 LAPD 舱的等离子体中生成了阿尔文波,同时在与极光形成相似的条件下测量电子速度分布。他们发现阿尔文波通过波共振将能量传递给电子,共振的速度类似于波的相速度。

爱荷华大学的物理学家 Greg Howes 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’,类似于冲浪运动员紧跟浪头,随着波浪移动而不断加速。"

这个过程被称为朗道阻尼(Landau damping),因为能量从波到粒子的传递对波造成了阻尼,从而防止出现不稳定性。根据研究小组的分析,电子速度产生的特征是朗道阻尼的已知特征,这表明发生了共振加速。

通过将他们的结果与极光模型进行比较,研究小组能够证明电子的通电率(energization rate)与现实中的朗道阻尼一致。

研究人员写道:" 实验和极光模型之间每个电子的通电率是一致的。这一结果证实了最终所需要的关联,并且表明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,并产生迷人耀眼的极光。"

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