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地球上最伟大的“灯光秀”——北极光究竟如何产生?神秘起源终于被证实

来源: 中国日报网
2021-06-08 17:22 
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北极光,经常被描述为地球上最伟大的“灯光秀”。几个世纪以来,这种高纬度地区独有的现象让科学家们感到惊叹。人们也一直在猜测北极光产生的原因,但从未得到证实,直到现在。

根据一项最新发布的研究显示,爱荷华大学的一组物理学家最终证实了,“这最绝妙的极光是由地磁暴期间强大的电磁波产生的”。

这些现象,也被称为阿尔文波(Alfven waves),加速电子向地球移动,导致粒子产生我们所了解的极光。

“测量表明,这一小群电子受到阿尔芬波电场的‘共振加速’,这类似于冲浪者抓住一个海浪,并随着海浪的移动而不断加速。”爱荷华大学物理与天文学系副教授,格雷格·豪斯(Greg Howes)表示,他是该研究的合著者。

1946年,俄罗斯物理学家列夫·兰道(Lev Landau)首次提出电子在电场上“冲浪”的理论,并将其命名为朗道阻尼(Landau damping),他的理论现已得到证实。

重现北极光

几十年来,科学家们已经了解了极光最有可能产生的原因。但现在他们第一次能在加州大学洛杉矶分校(UCLA)基础等离子科学设施实验室的大型等离子体设备(LPD)里模拟出它。

科学家们利用加州大学洛杉矶分校LPD上强大的磁场线圈,用一个20米长的腔室重建了地球磁场。在这个腔室内,科学家们产生了一种类似于地球附近空间中存在的等离子体。

豪斯说:“我们使用一种特殊设计的天线,让阿尔文波沿着机器上下波动,就像快速上下摇动花园软管那样,然后观察波浪沿着软管传播。”当他们开始经历电子沿着波“冲浪”时,他们使用另一种专门的仪器来测量这些电子是如何从波中获得能量的。

尽管实验没有重现我们在天空中看到的彩色微光,但豪斯表示:“我们在实验室中的测量结果与计算机模拟和数学计算的预测明显一致,证明电子在阿尔文波上冲浪可以加速电子(速度高达4500万英里/小时,约7242万公里/小时)从而产生极光”。

“这些实验让我们进行了关键测量,由此表明空间测量和理论确实解释了产生极光的主要原因,”该研究的合著者克雷格·克莱津(Craig Kletzing) 说。

不少太空科学家听到这个消息都欣喜若狂。美国宇航局(NASA)太阳物理学部的科学家帕特里克•科恩(Patrick Koehn)表示:“我兴奋极了!通过实验室实验验证有关太空环境的理论或模型是非常罕见的。太空明显太庞大,无法在实验室中轻松进行模拟。”

“它确实能帮助我们更好地了解太空天气!该项目验证的电子加速机制在太阳系的其他地方也在发挥作用,因此它将在空间物理学中非常有用。它也将用于太空天气预报,NASA对此非常感兴趣。”科恩在给美国有线电视新闻网络(CNN) 的电子邮件中说。

未来的路还很长

现在极光如何形成的理论已经被证实,要预测每次风暴的强度还有很长的路要走。

豪斯副教授在一封电子邮件中表示:“根据对太阳的观测还有地球和太阳之间航天器的测量,预测特定的磁风暴的强度仍然是一个悬而未决的挑战。”

“我们已经建立了与电子在离地球表面一万英里的地方通过阿尔芬波冲浪的联系,现在我们必须学习如何通过航天器观测来预测阿尔芬波的强度,”他补充道。

(编译:司茗嘉 编辑:马芮 韩鹤)

【责任编辑:韩鹤】
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