Физики раскрыли тайну волн, которые вызывают полярные сияния

AOinformНаука 09.06.2021 в 12:135350

Фото: из открытых источников

Физики из США впервые продемонстрировали и подтвердили механизм ускорения частиц — воспроизведя этот процесс в лаборатории.

Ученые Университета Айовы в США раскрыли тайну возникновения полярного сияния. Главную роль играют мощные электромагнитные волны во время магнитных бурь.

Физики из США впервые продемонстрировали и подтвердили механизм ускорения частиц — воспроизведя этот процесс в лаборатории. Как и предполагали ученые, мощные электромагнитные волны, известные как волны Альфвена, ускоряют электроны вдоль силовых линий магнитного поля.

«Идея о том, что эти волны могут возбуждать электроны, создающие полярное сияние, возникла более четырех десятилетий назад, но это первый раз, когда мы смогли окончательно подтвердить, что это работает», — сказал физик Крейг Клетцинг из Университета Айовы.

«Эти эксперименты позволяют нам провести ключевые измерения, которые показывают, что космические измерения и теория действительно объясняют основной способ создания полярных сияний», — добавил ученый.

Впервые такие волны были описаны шведским инженером-электриком Ханнесом Альфвеном в 1942 году — поперечные волны в электрической жидкости, распространяющиеся вдоль силовых линий магнитного поля. Они являются важным механизмом переноса энергии и импульса в магнитогидродинамических системах; то есть они могут ускорять частицы.

Альфвеновские волны наблюдались в силовых линиях магнитного поля Земли, а космические аппараты даже наблюдали направленные на Землю альфвеновские волны над полярными сияниями.

Поэтому группа ученых во главе с физиком Джимом Шредером из Уитон-колледжа использовала Большое плазменное устройство (LAPD) в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, чтобы ближе познакомиться с этим явлением. Это цилиндрическая вакуумная камера длиной 20 метров (66 футов) и диаметром 1 метр (3,3 фута) с мощным магнитным полем.

«Этот сложный эксперимент требовал измерения очень небольшой популяции электронов, движущихся по камере LAPD почти с той же скоростью, что и альфвеновские волны», — сказал физик Трой Картер из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Команда генерировала альфвеновские волны в плазме в LAPD и одновременно измеряла распределение электронов по скоростям в условиях, соответствующих формированию полярных сияний. Они обнаружили, что альфвеновские волны передают энергию электронам в резонансе с волнами — скорость, аналогичная фазовой скорости волн.

«Измерения показали, что эта небольшая популяция электронов подвергается резонансному ускорению электрическим полем альфвеновской волны, подобно тому, как серфер ловит волну и постоянно ускоряется, когда серфер движется вместе с волной», — сказал физик Грег Хоус из Университета Айовы.

Этот процесс известен как затухание Ландау, потому что передача энергии от волны к частице ослабляет волну, что, в свою очередь, предотвращает возникновение нестабильности. Затем, сравнив свои результаты с модельным полярным сиянием, команда смогла продемонстрировать, что скорость возбуждения электронов соответствует затуханию Ландау в реальных условиях.

«Соотношение скорости возбуждения электрона между экспериментом и моделью полярных сияний устанавливает окончательную связь, необходимую для демонстрации того, что мы предоставили прямое экспериментальное подтверждение того, что альфвеновские волны могут ускорять электроны, которые генерируют завораживающее сияние», — написали исследователи.