天空中舞動的唯美極光，是地球上最令人嘆為觀止的景象之一。但多年以來，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因并沒有被完全理解。

在最近一篇發(fā)表在《自然·通訊》上的論文中，科學家通過在地面模擬極光，最終將極光中粒子的加速機制指向了阿爾文波。

阿爾文波概念已誕生近80年

眾所周知，極光是由太陽風暴吹來的粒子產(chǎn)生的，這些被加速的粒子沿著地球的磁感線匯聚到高緯度地區(qū)，然后如雨點般擊中上層大氣，與大氣中的粒子互相作用形成了天空中閃耀的光幕。

如今，科學家們通過在實驗室中復制該過程，首次證明并確認了粒子加速發(fā)生的機制。正如科學家們所想的那樣，正是被稱為阿爾文波(Alfvén waves)的強大電磁波在沿著磁感線加速電子。

美國愛荷華大學的物理學家Craig Kletzing說：“這些電磁波可以為創(chuàng)造極光的電子提供能量的想法，可以追溯到40多年前，但這是我們第一次能夠明確證實它的作用。這些實驗讓我們進行了關鍵測量，表明空間測量和理論確實解釋了產(chǎn)生極光的主要方式。”

阿爾文波并不是很新的概念。它的概念是由諾貝爾獎得主、瑞典物理學家漢尼斯·阿爾文(Hannes Alfvén)在1942年首次描述的，即一種導電流體中沿著磁感線方向傳播的橫波。這種波是磁流體力學系統(tǒng)中能量和動量傳輸?shù)闹匾獧C制。也就是說，它可以加速粒子。

阿爾文波在地球磁感線中已經(jīng)被觀測到了，而航天器甚至在極光之上觀察到了朝向地面的阿爾文波。人們普遍認為阿爾文波在極光的電子加速中發(fā)揮了作用，但查明確切的作用機制并不容易。

使用大型等離子體裝置進行實驗

因此，由美國惠頓學院的物理學家Jim Schroeder領導的一組科學家使用加州大學洛杉磯分校的大型等離子體裝置(LAPD)仔細地觀察了這一現(xiàn)象。LAPD是一個長20米、直徑1米的圓柱形真空艙，其中擁有強大的磁場。

美國加州大學洛杉磯分校的物理學家Troy Carter說：“這項具有挑戰(zhàn)性的實驗需要測量極少量的電子，其數(shù)量不到等離子體中電子的千分之一，這些電子以幾乎與阿爾文波相同的速度沿LAPD艙移動。”

研究小組在LAPD艙的等離子體中生成了阿爾文波，同時在與極光形成相似的條件下測量電子速度分布。他們發(fā)現(xiàn)阿爾文波通過波共振將能量傳遞給電子，共振的速度類似于波的相速度。

愛荷華大學的物理學家Greg Howes說：“測量表明，這一小群電子在阿爾文波的電場作用下經(jīng)歷了‘共振加速’，類似于沖浪運動員緊跟浪頭，隨著波浪移動而不斷加速。”

這個過程被稱為朗道阻尼(Landau damping)，因為能量從波到粒子的傳遞對波造成了阻尼，從而防止出現(xiàn)不穩(wěn)定性。根據(jù)研究小組的分析，電子速度產(chǎn)生的特征是朗道阻尼的已知特征，這表明發(fā)生了共振加速。

通過將他們的結果與極光模型進行比較，研究小組能夠證明電子的通電率(energization rate)與現(xiàn)實中的朗道阻尼一致。

研究人員寫道：“實驗和極光模型之間每個電子的通電率是一致的。這一結果證實了最終所需要的關聯(lián)，并且表明我們已經(jīng)給出了直接的實驗確證，即阿爾文波可以加速沉降到電離層中的電子，并產(chǎn)生迷人耀眼的極光。”

(Michelle Starr撰文、Jubilee翻譯，據(jù)《環(huán)球科學》)

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