Физики разгадали тайну северного сияния

северное сияние фото

Эксперименты в Лаборатории фундаментальных исследований плазмы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе подтверждают взаимодействие электронов и альфвеновских волн.

Эффектно красочное полярное сияние, или северное сияние, заполняющее небо в высокоширотных регионах, очаровывало людей на протяжении тысячелетий. Теперь группа ученых разрешила одну из последних загадок, связанных с его происхождением.

Новое исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Ученые знают, что электроны и другие заряженные частицы, которые исходят от Солнца как часть «солнечного ветра», ускоряются вниз по силовым линиям магнитного поля Земли в верхние слои атмосферы, где они сталкиваются с молекулами кислорода и азота, переводя их в «возбужденное состояние». Затем эти молекулы «расслабляются», излучая свет, создавая красивые зеленые и красные оттенки полярного сияния.

Что не совсем понятно, так это то, как именно группы электронов ускоряются через магнитное поле на последнем этапе своего путешествия, достигая скорости до 45 миллионов миль в час.

Ответ на этот вопрос нашли физики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Уитон-колледжа, Университета Айовы и Института космических наук.

Популярная теория гласила, что электроны едут на волнах Альфвена — типе электромагнитных волн, которые космические аппараты часто идентифицировали, перемещаясь к Земле вдоль линий магнитного поля над полярными сияниями. В то время как космические исследования оказали сильную поддержку теории, ограничения, присущие измерениям с космических аппаратов, не позволили провести окончательную проверку.

Чтобы преодолеть эти ограничения, физики провели лабораторные эксперименты на Большом плазменном устройстве в Центре фундаментальных исследований плазмы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, национальном центре совместных исследований, поддерживаемом совместно Министерством энергетики США и Национальным научным фондом.

После воспроизведения условий, имитирующих условия авроральной магнитосферы Земли, команда использовала специально разработанные инструменты для запуска альфвеновских волн в 20-метровую камеру плазменного устройства. Поскольку считается, что альфвеновские волны собирают лишь небольшую часть электронов в плазме космоса, физики сосредоточились на том, чтобы определить, существуют ли электроны, которые, казалось, движутся со скоростью, сравнимой с электрическим полем волн.

«Этот сложный эксперимент потребовал измерения очень небольшой популяции электронов, движущихся по камере почти с той же скоростью, что и альфвеновские волны, составляющих менее одного из тысячи электронов в плазме», — сказал Трой Картер, профессор физика и директор Института плазменных исследований и технологий Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

«Измерения показали, что эта небольшая популяция электронов подвергается «резонансному ускорению» электрическим полем альфвеновской волны, подобно тому, как серфер ловит волну и постоянно ускоряется, когда серфер движется вместе с волной», — сказал Грегори Хоус, доцент физики в Университете Айовы.

Хоус отметил, что эти альфвеновские волны появляются после геомагнитных бурь, космических явлений, вызванных сильными событиями на Солнце, такими как солнечные вспышки и корональные выбросы массы. Эти бури могут вызвать так называемое «магнитное пересоединение» в магнитном поле Земли, в котором силовые линии магнитного поля растягиваются, как резиновые ленты, ломаются, а затем снова соединяются. Эти сдвиги запускают альфвеновские волны по направлению к Земле.

По словам Картера, поскольку области магнитного пересоединения смещаются во время шторма, альфвеновские волны — и сопровождающие их перемещающиеся электроны — перемещаются вдоль различных силовых линий в течение этого периода времени, что в конечном итоге приводит к мерцающему свечению световых завес полярного сияния.

В физике движение электронов по электрическому полю волны известно, как затухание Ландау, при котором энергия волны передается ускоренным частицам.

В рамках своего исследования команда использовала инновационный метод анализа, который объединил измерения электрического поля альфвеновских волн и электронов, чтобы создать уникальную сигнатуру ускорения электронов за счет затухания Ландау. С помощью численного моделирования и математического моделирования исследователи продемонстрировали, что сигнатура ускорения, измеренная в эксперименте, согласуется с предсказанной сигнатурой для затухания Ландау.

Согласие эксперимента, моделирования и моделирования обеспечивает первое прямое испытание, показывающее, что альфвеновские волны могут производить ускоренные электроны, вызывающие полярное сияние, сказал Картер.

«Это экспериментальное подтверждение физики полярного сияния связано с настойчивой изобретательностью исследовательских групп из Университета Айовы и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе», — сказал Вячеслав Лукин, программный директор по физике плазмы в Национальном научном фонде, который не принимал участия в исследование.

«От поддержки студентов через стипендию для аспирантов NSF до программы NSF CAREER для преподавателей на ранних этапах карьеры и до 25-летнего партнерства между NSF и Министерством энергетики, которое позволило использовать уникальные возможности Центра фундаментальных исследований плазмы история успеха открытия, ставшего возможным благодаря постоянной поддержке университетского исследовательского сообщества», — заявил он.

Ранее Курсор писал, что жители Финляндии поделились удивительными кадрами северного сияния. Сквозь облака просвечивали зеленые лучи с примесями белого и фиолетового цветов.

Расширение Вселенной ускорилось. Расширение Вселенной ускоряется, но ученые не могут объяснить, с чем это связано и что является причиной.

Физики сомневаются в существующей теории расширения Вселенной. Более 20 лет назад стало известно, что расширение Вселенной ускоряется, но физика этого процесса остается загадкой. Однако до сих пор не существует единого физического объяснения этого процесса.

Ранее Курсор уже писал, что в США создали камеру, которая может «поймать» световые волны. Новая камера может снимать 70 триллионов кадров в секунду.

Курсор сообщал, что на Большом адронном коллайдере нашли новую частицу. Ученые впервые обнаружили экзотическую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков.

Эксперименты на Большом адронном коллайдере обнаружили отклонения от Стандартной модели.

Ранее Курсор писал, что ученые измерили самую короткую единицу времени, а CERN одобрила план постройки нового огромного адронного коллайдера.

Напомним, что ученые открыли новое состояние материи.

Автор материала:
Таня Нати
ТЭГИ:
comments powered by HyperComments