Мы знаем, что оно вызывается частицами, вылетающими из солнечных бурь, ускоряющимися вдоль силовых линий магнитного поля Земли в более высокие широты, где падают в верхние слои атмосферы. Там взаимодействие с частицами в атмосфере порождает световые завесы, которые мерцают по небу.
Теперь ученые продемонстрировали и подтвердили механизм ускорения частиц — воспроизведя этот процесс в лаборатории. Как и предполагали ученые, мощные электромагнитные волны, известные как волны Альфвена, ускоряют электроны вдоль силовых линий магнитного поля.
«Идея о том, что эти волны могут возбуждать электроны, создающие полярное сияние, возникла более четырех десятилетий назад, но это первый раз, когда мы смогли окончательно подтвердить, что это работает», — сказал физик Крейг Клетцинг из Университета Айовы.
«Эти эксперименты позволяют нам провести ключевые измерения, которые показывают, что космические измерения и теория действительно объясняют возникновение полярных сияний».
Мы давно знаем об альфвеновских волнах. Впервые они были описаны шведским инженером-электриком Ханнесом Альфвеном в 1942 году — поперечные волны в электрической жидкости, распространяющиеся вдоль силовых линий магнитного поля. Такие волны являются важным механизмом переноса энергии и импульса в магнитогидродинамических системах; то есть они могут ускорять частицы.
© Austin Montelius, College of Liberal Arts and Sciences, University of Iowa
Поэтому группа ученых во главе с физиком Джимом Шредером из Уитон-колледжа использовала Большое плазменное устройство (LAPD) в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, чтобы ближе познакомиться с этим явлением. Это цилиндрическая вакуумная камера длиной 20 метров и диаметром 1 метр с мощным магнитным полем.
«Этот сложный эксперимент требовал измерения очень маленькой популяции электронов, движущихся по камере LAPD почти с той же скоростью, что и альфвеновские волны в плазме», — сказал физик Трой Картер из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Команда генерировала альфвеновские волны в плазме в LAPD и одновременно измеряла распределение электронов по скоростям в условиях, соответствующих формированию полярных сияний. Они обнаружили, что альфвеновские волны передают энергию электронам в резонансе с волнами — скорость, аналогичная фазовой скорости волн.
«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 физик Грег Хоус из Университета Айовы.
Этот процесс известен как затухание Ландау, потому что передача энергии от волны к частице ослабляет волну, что, в свою очередь, предотвращает возникновение нестабильности. Согласно анализу команды, сигнатура, создаваемая скоростью электронов, указывает на то, что произошло резонансное ускорение.
Затем, сравнив свои результаты с модельным полярным сиянием, команда смогла продемонстрировать, что скорость возбуждения электронов соответствует затуханию Ландау в реальных условиях.
«Согласие скорости возбуждения электрона между экспериментом и моделью полярных сияний, — писали исследователи, — устанавливает окончательную связь, необходимую для демонстрации того, что альфвеновские волны могут ускорять электроны, которые осаждаются в ионосфере и создают полярные сияния».
Исследование опубликовано в Nature Communications.
Комментарии читателей
на нашу рассылку