Команда физиков только что завершила многолетний поиск экспериментальной демонстрации физического механизма полярных сияний, мерцающих световых завес, которые светятся над полюсами. Более того, они смогли сделать это в комфорте университетской лаборатории - вместо того, чтобы проделывать долгий путь, чтобы увидеть северное сияние. Физики окончательно описывают, как создаются полярные сияния.
Мы давно знаем, что эти невероятные световые шоу создаются энергичными частицами Солнца. Эти быстро движущиеся частицы (в основном электроны) направляются вниз вдоль силовых линий магнитного поля и врезаются в нашу атмосферу на высоких широтах, сталкиваясь с атомами кислорода и азота и переводя их в возбужденное состояние. Когда атомы снова «расслабляются», они высвобождают энергию в виде вспышек цветного света.
Северное сияние в сентябре 2005 года. Фото: NASA Goddard Space Flight Centre
Но как эти электроны разгоняются до высоких скоростей перед столкновением с Землей?
Это новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что ответ кроется в мощных электромагнитных волнах, называемых «альвеновскими волнами», которые создаются во время геомагнитных бурь.
Соавтор исследования, физик Грег Хоус из Университета Айовы, США, объясняет: «Измерения показали, что эта небольшая популяция электронов подвергается «резонансному ускорению» электрическим полем альвеновской волны, подобно тому, как серфер ловит волну и постоянно ускоряется, когда он движется вместе с волной».
Серфинг электронов согласно затуханию Ландау. Фото: Austin Montelius, University of Iowa
Ранее космические корабли наблюдали альвеновские волны, движущиеся к Земле во время полярных сияний, но теперь исследовательская группа смогла подтвердить эти наблюдения с помощью лабораторных экспериментов. Они проводились на Большом плазменном устройстве (Large Plasma Device, LPD) в Лаборатории фундаментальных исследований плазмы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в США.
В частности, в экспериментах изучалась небольшая популяция электронов, движущихся по камере LPD почти с той же скоростью, что и альвеновские волны, показывая, что они могут «перемещаться как серфер» по электрическому полю волны.
Вид с торца на Большое плазменное устройство. Фото: Basic Plasma Science Facility, University of California, Los Angeles
Теория, лежащая в основе этого, известна как затухание Ландау (бесстолкновительное затухание волн в плазме); теперь экспериментальные результаты совпадают с предсказанной теорией, а также с результатами моделирования.
«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», - говорит другой соавтор, Крейг Клетцинг, также из Университет Айовы.
Светящееся полярное сияние: Авроральное излучение при столкновительном возбуждении. Фото: Austin Montelius, University of Iowa
«Эти эксперименты позволяют нам провести ключевые измерения, которые показывают, что космические измерения и теория действительно объясняют основной способ создания полярных сияний».
Источник: Cosmos
