證實極光產生的背後機制,高能電子乘著阿爾文波「衝浪」滑入地球

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 18 日 17:45 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


極光令人屏息,幾十年來,有關極光如何產生的理論已整理得脈絡有序,但實際上還沒得到最終證實。直到現在,一組物理學家團隊終於在實驗室中重現極光,證明極光的產生與地磁風暴期間一種強大電磁波息息相關。

極光是一種電漿體現象,我們都知道極光由太陽風暴吹進來的帶電高能粒子所產生,這些粒子沿地球磁場線被加速帶向高緯度地區,然後與高層大氣(熱層)的原子(氮和氧原子)碰撞,後者因吸收了電子能量被激發至較高能態,為了恢復正常,分子以光的形式輻射能量,這些光就是極光。

但究竟是什麼機制將這些電子拉向地球?如何在進入電離層的最後一段旅程中被加速到每小時達 7,200 萬公里?幾十年來,科學家們一直懷疑這些高能電子沿著阿爾文波(Alfven wave,也稱剪切阿爾文波)進入大氣層,在阿爾文波的電場作用下經歷了「共振加速」,類似衝浪者乘著波浪不斷加速,但是沒有任何衛星直接觀察到這種情況。

阿爾文波在電漿體中產生,是一種沿磁場方向傳播的波,當處在磁場中的導電流體在垂直於磁場方向上受到局部擾動時,沿著磁力線方向的磁張力提供恢復力就會激發阿爾文波,自然界中常在地磁風暴後出現阿爾文波。

現在來自愛荷華大學、加州大學洛杉磯分校、惠頓學院、洛杉磯太空科學研究所的科學家們利用 LPD 大型電漿裝置,於長 20 公尺的真空腔室內產生阿爾文波,並試圖測量沿腔室向下移動、速度幾乎與阿爾文波相同的極少量電子,首度獲得阿爾文波透過共振將能量傳遞給電子的直接證據,就像電子在阿爾文波上「衝浪」。

新研究表明,阿爾文波的確會加速電子向地球移動,從而導致粒子產生我們所知的極光。

科學家終於解決了有關極光起源的最後一個謎團,而這種電子加速機制可能也會出現在其他星球上,或許有助於天文學家更加理解木星極光。

新論文發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

(首圖來源:Jean Beaufort/加州大學洛杉磯分校