物理学家找到了最明亮极光背后机制的“明确证据”

8月和1859年9月，有一个主要的地磁风暴 - 又名Carrington活动，这有史以来最大的产生了耀眼的极光，遍布美国、欧洲、日本和澳大利亚。长期以来，科学家们一直着迷于导致这种表现的潜在物理过程，但尽管我们已经了解了其基本机制，但我们的理解仍然不完整。根据一个新的论文发表于本质上的自然通信，地球上的电子在电离层中捕获等离子浪潮，以便在充分的能量朝地球加速以产生最亮的极光。

所谓的北极光（或南方灯，如果它们在南半球）的壮观万花筒效果是带电粒子从太阳倾倒到地球的结果磁幕在这里，它们与氧和氮分子碰撞，这种相互作用会激发这些分子，使它们发光。极光通常以闪烁的丝带的形式出现在天空中，带有绿色、紫色、蓝色和黄色的色调。这种光往往只在极地可见，因为这些粒子沿着地球的磁力线，磁力线从两极附近呈扇形散开。

有不同种类的极光显示器，如“漫反射”的极光（靠近地平线附近的微弱发光），RARER“纠察围栏”和“沙丘“显示和“离散极光弧”——最强烈的变化，出现在天空中闪烁的，起伏的光幕。离散的极光弧线非常明亮，可以用它们的光阅读报纸。(天文学家得出结论，这种现象赢得了这个绰号强热辐射速度增强几年前毕竟不是真正的极光，因为它是由带电粒子加热高的在电离层中。）科学家认为存在不同的机制，通过该机制可以加速沉淀颗粒以产生每种类型。

其中一个未答复的问题正是在与电离层碰撞之前，电子在碰撞之前是如何加速的。来自爱荷华大学，加州大学，加州大学，洛杉矶（洛杉矶）和洛杉矶太空科学研究所的物理学家热衷于探讨离散极管弧线的机制。在拟议的理论中，由于所谓的，电子变得加速Alfvén波浪前往地球。

Alfvén波出现在等离子体中，等离子体是物质的第四种状态，具有类似于流体和气体的性质，但也包含磁场(有时是电场)。1942年，这位瑞典等离子体物理学家首次提出了这一假说汉斯·阿尔芬此后，在基于空间和地面等离子体中被观察到。在某些条件下，Alfvén波可以用等离子体中的粒子交换能量，有时会在波浪的槽中捕获它们。有人提出，Alfvén波负责沉淀粒子的加速，最终导致离散极光弧。

根据作者的理论是这样的。太阳耀斑和日冕物质抛射可以引发强烈的地磁暴。这些风暴反过来会导致南半球和北半球的磁力线断裂和重新形成(磁重联），在像拉伸的橡皮筋一样缠绕在地球之前。这种反弹推出了沿着磁场线向地球行驶的Alfvén波，沿着地球磁场的越来越强度加速到达35,000 km / s（近8000万英里）的方式。

与此同时，被困在地球上的电子磁幕都在降低热速度。在海拔低于20,000公里(或12,000英里)的地方，Alfvén波的移动速度将比电子的热速度略快。这使得电子在相同的方向上“冲浪”Alfvén波。任何一个冲浪者都能告诉你，抓住波浪的诀窍是在你的冲浪板的速度与到来的波浪相匹配之前划水;否则海浪就会呼啸而过，把你独自留在冲浪板上，看着别人享受所有的乐趣。电子的作用本质上是一样的。

当能量从波转移到电子时，这些电子在与上层大气稀薄空气中的原子碰撞之前，会以每秒2万公里(或每小时4500万英里)的速度加速，产生离散的极光弧。这种现象被称为Landau Damping.，苏联物理学家之后列弗兰道1946年，他首次从理论上描述了这一理论。这种效应对粒子加速器的稳定性也至关重要，因为它抑制了粒子束通过电磁尾流与周围环境相互作用时产生的任何不必要的运动。

已经有一些证据支持这一理论，从AlfVén波的观察到在探测火箭和某些航天器任务期间制造的Auroras上方移动。但仍然缺乏Alfvén波和加速电子的最终测量。所以球队决定在这一系列实验大型等离子体装置（LPD）在UCLA的基本血浆科学设施，哪个产生等离子体能够支持Alfvén波类似于空间中的等离子体，尽管较小的地面刻度。

这是一个令人生畏的挑战，因为他们需要在LPD室中以接近Alfvén波的速度测量非常小的电子群。因此，物理学家们不得不开发一系列新的仪器和技术——不仅是一种足够灵敏的设备来测量几个电子，而且还有一种高能天线来发射Alfvén波，并具有正确的特性来加速这些电子。他们还必须弄清楚如何将电子和电场的测量结合起来，以获得这种加速度的唯一特征。

在实验室内产生的等离子体中的所有电子在一系列速度下移动，但在一千个中少于一个速度以几乎与Alfvén波以几乎相同的速度向下移动。如预测，“测量显示了这种小型电子群体通过Alfvén波的电场经历了”共振加速“，类似于捕获波浪的冲浪者并且随着冲浪者与波浪一起移动时不断加速，”说共同作者Greg Howes是Iowa大学的物理学家。实验结果与其预测的签名符合阻尼效果。

“这些波可以激发产生极光的电子的想法可以追溯到40多年前，但这是我们第一次能够确定它是有效的，”说共同作者Craig Kleting他也是爱荷华大学的物理学家。“这些实验让我们进行了关键的测量，表明空间测量和理论确实解释了极光产生的主要方式。”

DOI：自然通信，2021。10.1038 / s41467 - 021 - 23377 - 5（关于Dois.）。