Po raz pierwszy fizycy potwierdzili tajemnicze fale, które powodują zorzę polarną

Jednym z najpiękniejszych i zapierających dech w piersiach widoków, jakie może zgromadzić nasze niebo, jest tańczący blask świateł zmierzchu. Jednak to niezwykłe zjawisko wciąż nie jest w pełni zrozumiałe.

Wiemy, że jest to spowodowane przez dmuchane cząstki burze słoneczne, przyspieszany wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego do wyższych szerokości geograficznych, gdzie pada deszcz w wyższych warstwach atmosfery. Tam interakcje z cząsteczkami w atmosferze generują kurtyny światła, które mienią się na niebie.

Teraz po raz pierwszy naukowcy zademonstrowali i potwierdzili mechanizm, dzięki któremu następuje przyspieszenie cząstek – powtarzając proces w laboratorium. Jak sądzili naukowcy, silne fale elektromagnetyczne, znane jako fale Alfvna, przyspieszają elektrony wzdłuż linii pola magnetycznego.

„Pomysł, że te fale mogą zasilać elektrony, które tworzą zorze polarne, sięga ponad czterdziestu lat, ale po raz pierwszy udało nam się definitywnie potwierdzić, że działają”. Fizyk Craig Klitzing powiedział: z Uniwersytetu Iowa.

„Eksperymenty te pozwalają nam dokonywać kluczowych pomiarów, które pokazują, że pomiary i teorie kosmiczne rzeczywiście wyjaśniają główny sposób, w jaki powstaje zorza polarna”.

(Austin Montelius, College of Liberal Arts and Sciences, University of Iowa)

O falach Alvina wiemy od dawna. Po raz pierwszy zostały opisane przez szwedzkiego inżyniera elektryka Hannesa Alvina w 1942 r. – fale poprzeczne w płynie elektrycznym, które rozchodzą się wzdłuż linii pola magnetycznego. Fale te są ważnym mechanizmem przekazywania energii i pędu w magnetohydrodynamiczny systemy. Oznacza to, że może przyspieszać cząstki.

Fale Alfna zaobserwowano w liniach pola magnetycznego Ziemi, a sonda kosmiczna wykryła fale Alvina w kierunku Ziemi nad zorzą polarną. to jest powszechnie akceptowane że fale Alvína odgrywają rolę w zorzowym przyspieszaniu elektronów – ale określenie dokładnej roli było nieco trudne.

Tak więc zespół naukowców kierowany przez fizyka Jima Schroedera z Wheaton College użył dużego urządzenia plazmowego (Policja w Los Angeles) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, aby bliżej przyjrzeć się temu zjawisku. Jest to cylindryczna komora próżniowa o długości 20 metrów (66 stóp) i średnicy 1 metra (3,3 stopy) z silnym polem magnetycznym.

Policja w Los Angeles. (Basic Plasma Science Facility / Uniwersytet Kalifornijski)

„Ten trudny eksperyment wymaga zmierzenia bardzo niewielu elektronów poruszających się w komorze LAPD z mniej więcej taką samą prędkością jak dwie tysięczne fale, których liczba jest mniejsza niż jeden na tysiąc elektronów w plazmie”. Fizyk Troy Carter powiedział: z Uniwersytetu Kalifornijskiego.

Zespół wygenerował fale plazmy Alfvéna w Policji w Los Angeles i jednocześnie zmierzył rozkład prędkości elektronu w warunkach odpowiednich dla formowania się zorzy polarnej. Odkryli, że fale Alfvna przekazują energię elektronom, które rezonują z falami – z prędkością podobną do prędkości fazowej fal.

Pomiary wykazały, że ta niewielka grupa elektronów podlega „przyspieszeniu brzęczącemu” przez pole elektryczne dwutysięcznej fali, podobnie jak surfer odbiera falę i jest stale przyspieszany, gdy surfer porusza się wraz z falą. Fizyk Greg Howes powiedział: z Uniwersytetu Iowa.

Proces ten jest znany jako tłumienie Landaua, ponieważ przeniesienie energii z fali na cząstkę tłumi falę, co z kolei zapobiega pojawianiu się niestabilności. Zgodnie z analizą zespołu, sygnatura wygenerowana przez prędkość elektronu była znaną sygnaturą tłumienia Landaua, wskazującą na przyspieszenie rezonansowe.

Porównując swoje wyniki z modelem zorzy polarnej, zespół był w stanie wykazać, że tempo aktywacji elektronów było zgodne z tłumieniem Landaua w rzeczywistości.

„Zgodność szybkości aktywacji na elektron pomiędzy eksperymentem a modelem zorzy”, Naukowcy napisali كتب, „ustanawia ostateczną komunikację wymaganą do udowodnienia, że ​​dostarczyliśmy bezpośrednie eksperymentalne potwierdzenie, że fale Alfvn mogą przyspieszać elektrony, które osadzają się w jonosferze i generować jasny blask zorzy polarnej”.

Wyszukiwanie zostało opublikowane w Połączenia z naturą.