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首次实验证实:北极光由强大的电磁波导致,电子高速“冲浪”如梦如幻

前瞻网    2021-06-10 20:06

 

 

几千年来,北极光一直吸引着人类,但它们究竟是如何产生的,至今仍是个谜。

如今,科学家们表示,他们有确凿的证据证明,这种壮观的宇宙微光是由被称为阿尔芬波(Alfven waves)的强大电磁波引起的,这种电磁波在特定条件下会加速电子向地球移动。

首次实验证实:北极光由强大的电磁波导致,电子高速“冲浪”如梦如幻

1946年,俄罗斯物理学家列夫·朗道(Lev Landau)首次提出了电子在电磁波的电场上“冲浪”的理论,他把这个过程称为朗道阻尼(Landau damping)。

在本周发表在《自然·通讯》杂志上的一项研究中,爱荷华大学的科学家证实了朗道的预测,并明确指出北极光就是由这种效应引起的。

研究报告的合著者、物理学家格雷格·豪斯(Greg Howes)说:“测量结果显示,这一小群电子受到阿尔芬波电场的‘共振加速’,类似于冲浪者跟随着波波而移动并且不断加速。”

人类观察北极光已经有几千年的历史了:在中国古代民间传说中,一位目睹北极光的年轻女子生下了传说中中华民族的始祖——轩辕大帝。一份来自公元1230年的挪威报告将北极光归因于海洋着火,而本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)在1778年提出的理论认为,极光是由冰雪加剧两极电荷引起的。一些印第安人认为这些变幻的彩光是他们死去的朋友的灵魂在天空中跳舞。

事实上,太阳耀斑和其他太阳上的挥发性反应会影响太阳风,有时会引发严重的地磁暴。这些风暴推动了一个被称为“磁力线重连”的过程,在这个过程中,磁力线断裂并重新形成——“就像绷紧了的橡皮筋突然释放一样”,猛然回到地球。

这种反弹会发射阿尔芬波,阿尔芬波沿着磁场向地球传播。在海拔低于12000英里的地方,阿尔芬波的速度超过了电子的热速度,电子在阿尔芬波加速的同一方向上运动。

Greg Howes解释称,电子以每小时4500万英里的速度“沿着地球磁场向下流动”,“最终与上层大气稀薄空气中的氧、氮原子和分子相撞。”这种撞击产生了我们所知的北极光幕景象。

尽管人们对这一现象已有40多年的了解,但由爱荷华大学(University of Iowa)领导的一个物理学家团队首次在实验室中模拟了这一现象。

在美国国家航空航天局、能源部和美国国家科学基金会的资助下,研究人员在加州大学洛杉矶分校的基础等离子体科学设施中,利用大型等离子体设备(LPD)进行了多次模拟,以显示阿尔芬波加速电子向地球移动,从而导致北极光发光效应。

“这些实验让研究人员们进行了关键的测量,表明空间测量和理论,确实成为了极光产生背后原因的主要方式。

研究人员还利用LPD强大的磁场线圈在一个特殊的室内重建了地球磁场,然后产生了类似于地球附近空间中存在的等离子体。我们使用了一个特殊设计的天线,让阿尔芬沿着机器上下摆动,就像快速上下摇动花园中的软管,然后观察波浪沿着软管的移动。”

当电子在波浪上“冲浪”时,他们测量了它们是如何获得能量的。

虽然他们不能重现北极光的光芒,但他们的测量结果与模拟的预测相符——证明了电子在阿尔芬波上‘冲浪’,可以使电子加速——高达每小时4500万英里,这可以引起极光效应。

他们的研究也得到了宇航员的支持,他们在太空任务中经常发现阿尔芬波在极光上方向地球传播。

研究人员们希望,更多的太空观测,将最终帮助预测任何给定的地磁风暴期间阿尔芬波的强度。

观赏北极光的最佳机会是在9月到3月的北极圈内的一些地区,比如阿拉斯加、冰岛、俄罗斯北部和加拿大北部——尤其是在春秋分点的时候。偶尔,如果太阳风更强烈,极光还可以在较低的纬度被观察到。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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