Физики впервые подтвердили загадочные волны, вызывающие полярные сияния

Мы знаем, что полярное сияние производится частицами, вылетающими из солнечных бурь, ускоряющимися вдоль силовых линий магнитного поля Земли в более высокие широты, где они падают в верхние слои атмосферы. Там взаимодействие с частицами в атмосфере порождает световые завесы, которые мерцают по небу.

Теперь ученые впервые продемонстрировали и подтвердили механизм ускорения частиц - воспроизведя этот процесс в лаборатории. Как и предполагали ученые, мощные электромагнитные волны, известные как волны Альвена, 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 основной способ создания 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.

Альфвеновские волны наблюдались в силовых линиях магнитного поля Земли, а космические аппараты даже наблюдали направленные на Землю альфвеновские волны над полярными сияниями. Это широко признано, что Альвеновские волны играют роль в авроральном ускорении электронов - но определить точную роль было несколько сложнее.

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, составляющих менее одного из тысячи электронов 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 группы, сигнатура, создаваемая скоростью электронов, была известной сигнатурой для затухания Ландау, указывая 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, чтобы показать, что мы предоставили прямое экспериментальное подтверждение того, что альфвеновские волны могут ускорять электроны, которые осаждаются в ионосфере и генерируют завораживающее сияние северного сияния".

Напомним, ранее сообщалось, что впервые над Северным полюсом обнаружен космический ураган.

Источник