Fysikere rapporterer endelige beviser for, hvordan nordlys skabes

Aurora borealis, eller nordlys, der fylder himlen i områder med høj breddegrad, har fascineret mennesker i tusinder af år. Men hvordan de er skabt, mens man teoretiserer, ikke var endeligt bevist.

I en ny undersøgelse, et hold fysikere ledet af University of Iowa rapporterer endegyldige beviser for, at de mest strålende nordlys produceres af kraftige elektromagnetiske bølger under geomagnetiske storme. Fænomenerne, kendt som Alfven -bølger, accelerere elektroner mod Jorden, hvilket får partiklerne til at producere det velkendte atmosfæriske lysshow.

Studiet, offentliggjort online 7. juni i tidsskriftet Naturkommunikation , afslutter en årtier lang søgen efter eksperimentelt at demonstrere de fysiske mekanismer for acceleration af elektroner af Alfven-bølger under forhold, der svarer til Jordens nordlysmagnetosfære.

"Målinger viste, at denne lille population af elektroner gennemgår 'resonansacceleration' af Alfven-bølgens elektriske felt, ligner en surfer, der fanger en bølge og konstant bliver accelereret, når surferen bevæger sig sammen med bølgen, " siger Greg Howes, lektor i Institut for Fysik og Astronomi i Iowa og studiemedforfatter.

Forskere har vidst, at partikler med energi, der udgår fra solen - såsom elektroner, der ræser med omkring 45 millioner miles i timen - udfældes langs Jordens magnetiske feltlinjer i den øvre atmosfære, hvor de kolliderer med ilt- og nitrogenmolekyler, sparker dem ind i en ophidset tilstand. Disse ophidsede molekyler slapper af ved at udsende lys, producerer auroraens farverige nuancer.

Teorien blev understøttet af rumfartøjsmissioner, der ofte fandt Alfven -bølger, der rejste mod jorden over auroraer, formodentlig accelererende elektroner undervejs. Selvom rumbaserede målinger havde understøttet teorien, begrænsninger iboende til rumfartøjer og raketmålinger havde forhindret en endelig test.

Fysikerne var i stand til at finde bekræftende beviser i en række eksperimenter udført ved Large Plasma Device (LPD) i UCLAs Basic Plasma Science Facility, en national kollaborativ forskningsfacilitet støttet i fællesskab af U.S. Department of Energy og National Science Foundation.

"Ideen om, at disse bølger kan energisere elektronerne, der skaber auroraen, går mere end fire årtier tilbage, men det er første gang, vi har været i stand til definitivt at bekræfte, at det virker, " siger Craig Kletzing, professor i Institut for Fysik og Astronomi i Iowa og en medforfatter af et studie. "Disse eksperimenter lader os lave de vigtigste målinger, der viser, at rummålingerne og teorien gør, Ja, forklare en vigtig måde, hvorpå nordlyset er skabt."

Fænomenet elektroner, der "surfer" på et bølges elektriske felt, er en teoretisk proces kendt som Landau -dæmpning, første gang foreslået af den russiske fysiker Lev Landau i 1946. Gennem numeriske simuleringer og matematisk modellering, forskerne viste, at resultaterne af deres eksperiment stemte overens med den forudsagte signatur for Landau-dæmpning.

Aftalen om forsøg, simulering, og modellering giver det første direkte bevis på, at Alfven-bølger kan producere accelererede elektroner, forårsager nordlys, siger Troy Carter, professor i fysik ved UCLA og direktør for UCLA Plasma Science and Technology Institute.

"Dette udfordrende eksperiment krævede en måling af den meget lille population af elektroner, der bevægede sig ned i LPD-kammeret med næsten samme hastighed som Alfven-bølgerne, nummerere mindre end en ud af tusind af elektronerne i plasmaet, " siger Carter.