在Alfvén的波浪上“冲浪”粒子:物理学家解决了一个围绕的Aurora Borealis的谜团

阿拉斯加的极光博尔齐亚

绿灯的极光佛罗里斯'旋转窗帘,在阿拉斯加捕获了摄影师吉恩博的博福特。信用:吉恩博福特

UCLA基本等离子体科学设施的实验确认了电子和Alfvén波的相互作用。

壮观的丰富多彩的极光博尔梅尼斯 - 或北极光 - 填补了高纬度地区的天空着迷于数千年的人。现在,一个科学家团队已经解决了围绕其起源的最终谜团之一。

科学家们知道电子和其他通电颗粒从太阳中散发出来的“太阳风”的一部分,在地球上的磁场线和上层大气中,它们与氧气和氮分子碰撞,将它们踢成激发状态。然后通过发光来放松这些分子,产生极光的美丽绿色和红色色调。

尚未得到很好的理解,正是如何通过旅程的最后一段腿上加速磁场,达到高达4500万英里/小时的磁场。在2021年6月7日发表的一项研究中,在学报自然通信NS,那个问题由来自爱荷华大学和空间科学院的惠顿学院的Mecla,Wheaton College的物理学家回答。

在Alfvén波浪上朝向地球冲浪流

当它们在Alfvén波(黄色)上冲突时,电子向地球流朝地球流向地球上碰撞(白色);在上高度,这些碰撞导致红光的发射,而在较低的海拔中,发射的光是绿色的。信誉:爱荷华大学奥斯汀蒙特利厄斯

一种流行的理论一直是电子挂起Alfvén波 - 一种电磁波,即航天器经常沿着极光上方磁场线识别地向地行驶。虽然基于空间的研究提供了强大的支持理论,但航天器测量所固有的限制阻止了最终的测试。

为了克服这些限制,物理学家在UCLA的基本血浆科学设施中对大型血浆装置进行了实验室实验,该科学设施是美国能源和国家科学基金会联合支持的国家合作研究网站。

在再现地球极光磁层中模仿的条件后,该团队使用专门设计的仪器来启动Alfvén波等离子体器件的20米长的房间。因为Alfvén波被认为只在空间等离子体中仅收集一小部分电子,所以物理学家专注于确定是否存在以与波的电场相当的速率行驶的电子。

“这种具有挑战性的实验需要测量非常小的电子群体以与Alfvén波以几乎相同的速度向下移动,在等离子体中的一千个电子中少于一个,”Troy Carter说大豆血浆科技学院物理与总监。

UCLA大等离子装置

UCLA基本等离子科学设施的大等离子装置。信贷:基本血浆科学设施,UCLA

“Measurements revealed this small population of electrons undergoes ‘resonant acceleration’ by the Alfvén wave’s electric field, similar to a surfer catching a wave and being continually accelerated as the surfer moves along with the wave,” said Gregory Howes, an associate professor of physics at the University of Iowa.

Howes指出,这些Alfvén波在地磁风暴之后出现,基于空间的现象被阳光的暴力事件引发,例如太阳耀斑和冠状大规模喷射。这些风暴可以引起地球磁场中所谓的“磁性重新连接”,其中磁场线被拉伸,如橡皮带,卡扣然后重新连接。这些换档沿线向地球发射Alfvén波。

由于风暴期间的磁性重新连接的区域,Alfvén波浪 - 以及它们的伴随的冲浪电子在该时间段沿着不同的场线行进,最终导致极光的光遮光灯的光芒,卡特表示。

在物理学中,在波的电场上冲浪的电子是称为Landau阻尼的现象,其中波的能量被转移到加速颗粒上。作为研究的一部分,该团队使用了一种创新的分析技术,该技术组合了Alfvén波的电场和电子的测量来产生由Landau阻尼的电子加速度的独特签名。通过数值模拟和数学建模,研究人员展示了在实验中测量的加速的签名与Landau阻尼的预测签名。

实验,仿真和建模的协议提供了第一个直接测试,表明Alfvén波可以产生导致极光的加速电子,卡特表示。

“这一实验证实极光背后的物理学是由于爱荷华大学和加州大学联盟的研究群体的持续性兴奋,”国家科学基金会的血浆物理计划总监Vyacheslav(斯拉瓦)Lukin表示,他没有参与这个调查。“从学生支持通过NSF研究生研究奖学金,向NSF职业生涯中的早期职业教师,NSF与能源部之间的25年伙伴关系,使能基本等离子体科学设施的独特能力,这是一个通过大学研究界的一致支持,发现的成功故事。“

有关此研究的更多信息,请阅读最后,物理学家报告了明确的证据表明如何创建辉煌的极光

参考:“Alfvén波物理的实验室测量Alfvén波的物理学”,J.W. R. Schroeder,G. G. Howes,C.A.Kletzing,F. Skliff,T. A.Carter,S. Vincena和S. Dorfman,6月2021年6月7日,自然通信
DOI:10.1038 / S41467-021-23377-5

除了Howes和Carter之外,研究提交人还包括Wheaton College的James Schroeder,克雷顿·克莱斯和爱荷华大学弗雷德里克Skiff,斯蒂芬·芬纳的UCLA斯蒂芬·芬纳,以及空间科学研究所的Seth Dorfman。

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