地球最美现象背后的秘密

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。

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。

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）

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。”

原文链接：

https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-lab-experiment-confirms-the-waves-that-cause-auroras

相关论文：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23377-5

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