Fysiker som leds av University of Iowa rapporterar definitiva bevis på att auroror som lyser upp himlen på de höga breddgraderna orsakas av elektroner som accelereras av en kraftfull elektromagnetisk kraft som kallas Alfven -vågor. Upphovsman:Auroral fotografi:Alex Gerst, NASA; Experimentell datavisualisering:Steve Vincena, University of California, Los Angeles
Aurora borealis, eller norrsken, som fyller himlen i regioner med hög latitud har fascinerat människor i tusentals år. Men hur de skapas, medan teoretiseras, inte hade bevisats slutgiltigt.
I en ny studie, ett team av fysiker under ledning av University of Iowa rapporterar definitiva bevis på att de mest lysande aurororna produceras av kraftfulla elektromagnetiska vågor under geomagnetiska stormar. Fenomenen, känd som Alfven -vågor, accelerera elektroner mot jorden, vilket får partiklarna att producera det välkända atmosfäriska ljuset.
Studien, publicerad online 7 juni i tidningen Naturkommunikation , avslutar en decennier lång strävan efter att experimentellt demonstrera de fysiska mekanismerna för acceleration av elektroner av Alfven-vågor under förhållanden som motsvarar jordens auroral magnetosfär.
"Mätningar avslöjade att denna lilla elektronpopulation genomgår 'resonansacceleration' av Alfven -vågens elektriska fält, liknande en surfare som fångar en våg och kontinuerligt accelereras när surfaren rör sig tillsammans med vågen, "säger Greg Howes, docent vid Institutionen för fysik och astronomi i Iowa och studera medförfattare.
Forskare har vetat att energiska partiklar som kommer från solen - till exempel elektroner som springer i cirka 45 miljoner miles i timmen - fälls ut längs jordens magnetfältlinjer till den övre atmosfären, där de kolliderar med syre- och kvävemolekyler, sparkar dem i ett upphetsat tillstånd. Dessa upphetsade molekyler slappnar av genom att avge ljus, producerar norrskenens färgstarka nyanser.
Fysiker som leds av University of Iowa rapporterar definitiva bevis på hur auroror skapas. I experiment, fysikerna demonstrerade de fysiska mekanismerna för acceleration av elektroner med Alfven -vågor under förhållanden som motsvarar jordens aurorala magnetosfär. Upphovsman:Austin Montelius.
Teorin stöddes av rymdfarkostuppdrag som ofta hittade Alfven -vågor som färdades jorden ovanför auroror, förmodligen accelererande elektroner längs vägen. Även om rymdbaserade mätningar hade stött teorin, begränsningar i rymdfarkoster och raketmätningar hade förhindrat ett definitivt test.
Fysikerna kunde hitta bekräftande bevis i en serie experiment som utförts på Large Plasma Device (LPD) i UCLA:s Basic Plasma Science Facility, en nationell kollaborativ forskningsanläggning som stöds gemensamt av U.S. Department of Energy and National Science Foundation.
"Tanken att dessa vågor kan ge energi till elektronerna som skapar norrsken går mer än fyra decennier tillbaka, men det här är första gången vi har kunnat bekräfta definitivt att det fungerar, "säger Craig Kletzing, professor vid Institutionen för fysik och astronomi i Iowa och en medförfattare. "Dessa experiment låter oss göra de viktigaste mätningarna som visar att rymdmätningar och teori gör, verkligen, förklara ett viktigt sätt på vilket norrsken skapas. "
Fenomenet elektroner som "surfar" på det elektriska fältet i en våg är en teoretisk process som kallas Landau -dämpning, föreslogs först av ryska fysikern Lev Landau 1946. Genom numeriska simuleringar och matematisk modellering, forskarna visade att resultaten av deras experiment överensstämde med den förutsagda signaturen för Landau -dämpning.
Avtalet om experiment, simulering, och modellering ger det första direkta beviset på att Alfven -vågor kan producera accelererade elektroner, orsakar norrsken, säger Troy Carter, professor i fysik vid UCLA och chef för UCLA Plasma Science and Technology Institute.
"Detta utmanande experiment krävde en mätning av den mycket små populationen av elektroner som rör sig längs LPD -kammaren med nästan samma hastighet som Alfven -vågorna, numrerar mindre än en av tusen av elektronerna i plasma, Säger Carter.
