Впервые обнаружены загадочные волны, вызывающие полярные сияния
Одно из самых красивых зрелищ, которые только можно увидеть в нашем небе, — это полярные сияния. Тем не менее, это удивительное явление до сих пор полностью не изучено.
Мы знаем, что оно вызывается частицами, вылетающими из солнечных бурь, ускоряющимися вдоль силовых линий магнитного поля Земли в более высокие широты, где падают в верхние слои атмосферы. Там взаимодействие с частицами в атмосфере порождает световые завесы, которые мерцают по небу.
Теперь ученые продемонстрировали и подтвердили механизм ускорения частиц — воспроизведя этот процесс в лаборатории. Как и предполагали ученые, мощные электромагнитные волны, известные как волны Альфвена, 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 возникновение 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. Широко признано, что альфвеновские волны играют роль в ускорении электронов, но определить точную роль было довольно сложно.
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 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 команды, сигнатура, создаваемая скоростью электронов, указывает 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 для демонстрации того, что альфвеновские волны могут ускорять электроны, которые осаждаются в ионосфере и создают полярные сияния».
Исследование опубликовано в Nature Communications.
