Невероятно цветното сияние на Аурора Бореалис или полярно сияние, което изпълва небето в региони с висока географска ширина, очарова хората от хиляди години. Сега екип от учени е разгадал една от последните мистерии около произхода му.
Учените знаят, че електроните и другите високоенергийни частици, които се отделят от Слънцето като част от „слънчевия вятър“, се ускоряват надолу по линиите на магнитното поле на Земята и навлизат в горните слоеве на атмосферата, където се сблъскват с молекули кислород и азот, като ги довеждат до възбудено състояние.
Преминаването на електрон от едно в друго състояние става с излъчване или поглъщане на фотон с енергия, равна на разликата в енергиите на двете състояния. Тъй като енергията на излъчения фотон е пропорционална на неговата честота, тези разлики в енергията се регистрират като специфични линии в електромагнитния спектър, т.е. възбудените молекули се отпускат, излъчвайки светлина, създавайки красивите зелени и червени нюанси на полярното сияние.
Схема на потока на слънчевия вятър, отклонен от магнитосферата на Земята. Фигура от проекта MAARBLE (2017).
Това, което не е добре разбрано, е точно как групите електрони се ускоряват през магнитното поле в последния етап на своето пътуване, достигайки скорости до 72 милиона км/ч. В изследване, публикувано в списание Nature Communications, на този въпрос отговарят физиците от Университета на Калифорния, Лос Анджелис (UCLA), колежа Уитън, Университета в Айова и Института за космически науки.
Електроните, които текат към Земята, докато сърфират по вълните на Алфвен (в жълто), се сблъскват с молекули азот и кислород (в бяло); при най-горните височини тези сблъсъци водят до излъчване на червена светлина, докато на по-ниските височини излъчената светлина е зелена. Кредит: Austin Montelius, University of Iowa
Популярна теория е, че вълните на Алфвен - вид мощни електромагнитни вълни - ускоряват електроните по линиите на магнитното поле.
„Идеята, че тези вълни могат да възбудят електроните, които създават полярното сияние, възниква преди повече от четири десетилетия, но за първи път, когато успяхме да потвърдим окончателно, че работи“, заявява Крейг Клецинг (Craig Kletzing) от Университета на Айова.
"Тези експерименти ни позволяват да направим ключови измервания, които показват, че космическите измервания и теорията наистина обясняват полярното сияние".
Феноменът на електроните „сърфиращи“ в електрическото поле на вълната е теоретичен процес, известен като затихване на Ландау, предложен за пръв път от руския физик Лев Ландау през 1946 г.
Чрез числени симулации и математическо моделиране изследователите демонстрират, че резултатите от техния експеримент се съгласуват с предсказания подпис на затихването на Ландау.
Светът научава за вълните Алфвен през 1942 г. благодарение на работата на шведския електроинженер Ханес Алфвен. Ученият описва напречни вълни в електрическа течност, разпространяваща се по линиите на магнитно поле. Вълните могат да ускорят частиците, тъй като те са важен механизъм за предаване на импулса и енергията в магнитохидродинамичните системи.
Но за научната общност бе малко трудно да определи точната роля на вълните Алфвен.
Във физиката електроните, сърфиращи в електрическото поле на вълната, са явление, известно като затихване на Ландау, при което енергията на вълната се пренася върху ускорените частици. Кредит: Austin Montelius, University of Iowa
Комплексът от експеримент, симулация и моделиране предоставя първите преки доказателства, че вълните на Алфвен могат да произвеждат ускорени електрони, причиняващи сиянието, разказва Трой Картър (Troy Carter), професор по физика в UCLA и директор на Института за наука и технология на плазмата на UCLA.
Физиците успяват да намерят потвърждаващи доказателства в поредица от експерименти, проведени в Large Plasma Device (LPD) или "Голямото плазмено устройство" в Основния научен център за плазмата на UCLA.
Устройството представлява вакуумна камера със силно магнитно поле под формата на цилиндър с дължина 20 метра и диаметър 1 метър. Екипът едновременно измерва разпределението на електронната скорост и пресъздава вълните на Алфвен при условия, при които се появява полярното сияние.
"Голямото плазмено устройство" в Основния научен център за плазма на UCLA. Кредит: Basic Plasma Science Facility, UCLA
Тъй като се смята, че вълните на Алфвен увличат само малка част от електроните в космическата плазма, физиците се фокусират върху определянето дали има електрони, които изглежда се движат със скорост, сравнима с електрическото поле на вълните.
„Този труден експеримент изискваше измерване на много малката популация от електрони, движещи се надолу в камерата на LPD с почти същата скорост като вълните на Алфвен, наброяващи по-малко от един на хиляда електрона в плазмата“, разказва Картър.
Физици съобщават категорични доказателства за това как се създават сияния. В експерименти физиците демонстрират физическите механизми за ускоряване на електроните от вълните на Алфвен при условия, съответстващи на авроралната магнитосфера на Земята. Кредит: Austin Montelius, University of Iowa.
„Измерванията разкриха, че тази малка популация от електрони претърпява „резонансно ускорение“ от електрическото поле на вълните на Алфвен, подобно на сърфист, хващащ вълна, и непрекъснато се ускорява, докато сърфистът се движи заедно с вълната“, обяснява Грегъри Хаус (Gregory Howes), доцент по физика в университета в Айова.
 Магнитно присъединяване. Източник: Wikimedia |
Хауз отбелязва, че тези вълни на Алфвен се появяват след геомагнитни бури, космически явления, предизвикани от мощни събития на слънцето, като слънчеви изригвания и изхвърляния на коронална маса. Тези бури могат да причинят така нареченото „магнитно присъединяване“ в магнитното поле на Земята, при което линиите на магнитното поле са опънати като ластици, превключват и след това се свързват отново. Тези размествания изстрелват вълните на Алфвен по линиите към Земята.
На височини под около три земни радиуса (20 000 км), където скоростта на вълните на Алфвен надвишава електронната топлинна скорост, електроните, движещи се в същата посока като вълните на Алфвен, могат ефективно да се ускорят от тези вълни до по-високи скорости.
И тъй като регионите на магнитното присъединяване се изместват по време на буря, вълните на Алфвен - и придружаващите ги сърфиращи електрони - се движат по различни полеви линии през този период от време, което в крайна сметка води до сиянието на светлинните завеси на полярното сияние, коментира Картър.
Справка: “Laboratory measurements of the physics of auroral electron acceleration by Alfvén waves” by J. W. R. Schroeder, G. G. Howes, C. A. Kletzing, F. Skiff, T. A. Carter, S. Vincena and S. Dorfman, 7 June 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-23377-5
Източници:
“Surfing” Particles on Alfvén Waves: Physicists Solve a Mystery Surrounding Aurora Borealis, Scitech daily
Auroral Electron Acceleration, Gregory G. Howes
Physicists determine how auroras are created, University of Iowa
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари