北極光,經(jīng)常被描述為地球上最偉大的“燈光秀”。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái),這種高緯度地區(qū)獨(dú)有的現(xiàn)象讓科學(xué)家們感到驚嘆。人們也一直在猜測(cè)北極光產(chǎn)生的原因,但從未得到證實(shí),直到現(xiàn)在。
根據(jù)一項(xiàng)最新發(fā)布的研究顯示,愛(ài)荷華大學(xué)的一組物理學(xué)家最終證實(shí)了,“這最絕妙的極光是由地磁暴期間強(qiáng)大的電磁波產(chǎn)生的”。
這些現(xiàn)象,也被稱(chēng)為阿爾文波(Alfven waves),加速電子向地球移動(dòng),導(dǎo)致粒子產(chǎn)生我們所了解的極光。
“測(cè)量表明,這一小群電子受到阿爾芬波電場(chǎng)的‘共振加速’,這類(lèi)似于沖浪者抓住一個(gè)海浪,并隨著海浪的移動(dòng)而不斷加速。”愛(ài)荷華大學(xué)物理與天文學(xué)系副教授,格雷格·豪斯(Greg Howes)表示,他是該研究的合著者。
1946年,俄羅斯物理學(xué)家列夫·蘭道(Lev Landau)首次提出電子在電場(chǎng)上“沖浪”的理論,并將其命名為朗道阻尼(Landau damping),他的理論現(xiàn)已得到證實(shí)。
重現(xiàn)北極光
幾十年來(lái),科學(xué)家們已經(jīng)了解了極光最有可能產(chǎn)生的原因。但現(xiàn)在他們第一次能在美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)基礎(chǔ)等離子科學(xué)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室的大型等離子體設(shè)備(LPD)里模擬出它。
科學(xué)家們利用加州大學(xué)洛杉磯分校LPD上強(qiáng)大的磁場(chǎng)線圈,用一個(gè)20米長(zhǎng)的腔室重建了地球磁場(chǎng)。在這個(gè)腔室內(nèi),科學(xué)家們產(chǎn)生了一種類(lèi)似于地球附近空間中存在的等離子體。
豪斯說(shuō):“我們使用一種特殊設(shè)計(jì)的天線,讓阿爾文波沿著機(jī)器上下波動(dòng),就像快速上下?lián)u動(dòng)花園軟管那樣,然后觀察波浪沿著軟管傳播。”當(dāng)他們開(kāi)始經(jīng)歷電子沿著波“沖浪”時(shí),他們使用另一種專(zhuān)門(mén)的儀器來(lái)測(cè)量這些電子是如何從波中獲得能量的。
盡管實(shí)驗(yàn)沒(méi)有重現(xiàn)我們?cè)谔炜罩锌吹降牟噬⒐猓浪贡硎荆骸拔覀冊(cè)趯?shí)驗(yàn)室中的測(cè)量結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)學(xué)計(jì)算的預(yù)測(cè)明顯一致,證明電子在阿爾文波上沖浪可以加速電子(速度高達(dá)4500萬(wàn)英里/小時(shí),約7242萬(wàn)公里/小時(shí))從而產(chǎn)生極光”。
“這些實(shí)驗(yàn)讓我們進(jìn)行了關(guān)鍵測(cè)量,由此表明空間測(cè)量和理論確實(shí)解釋了產(chǎn)生極光的主要原因,”該研究的合著者克雷格·克萊津(Craig Kletzing) 說(shuō)。
不少太空科學(xué)家聽(tīng)到這個(gè)消息都欣喜若狂。美國(guó)宇航局(NASA)太陽(yáng)物理學(xué)部的科學(xué)家帕特里克?科恩(Patrick Koehn)表示:“我興奮極了!通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有關(guān)太空環(huán)境的理論或模型是非常罕見(jiàn)的。太空明顯太龐大,無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中輕松進(jìn)行模擬。”
“它確實(shí)能幫助我們更好地了解太空天氣!該項(xiàng)目驗(yàn)證的電子加速機(jī)制在太陽(yáng)系的其他地方也在發(fā)揮作用,因此它將在空間物理學(xué)中非常有用。它也將用于太空天氣預(yù)報(bào),NASA對(duì)此非常感興趣。”科恩在給美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)絡(luò)(CNN) 的電子郵件中說(shuō)。
未來(lái)的路還很長(zhǎng)
現(xiàn)在極光如何形成的理論已經(jīng)被證實(shí),要預(yù)測(cè)每次風(fēng)暴的強(qiáng)度還有很長(zhǎng)的路要走。
豪斯副教授在一封電子郵件中表示:“根據(jù)對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)還有地球和太陽(yáng)之間航天器的測(cè)量,預(yù)測(cè)特定的磁風(fēng)暴的強(qiáng)度仍然是一個(gè)懸而未決的挑戰(zhàn)。”
“我們已經(jīng)建立了與電子在離地球表面一萬(wàn)英里的地方通過(guò)阿爾芬波沖浪的聯(lián)系,現(xiàn)在我們必須學(xué)習(xí)如何通過(guò)航天器觀測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)阿爾芬波的強(qiáng)度,”他補(bǔ)充道。
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