圖片來源：pixabay

天空中舞動的唯美極光，是地球上最令人歎為(wei) 觀止的景象之一。但多年以來，這種現象產(chan) 生的原因並沒有被完全理解。

撰文｜Michelle Starr

翻譯｜Jubilee

審校｜王昱

眾(zhong) 所周知，極光是由太陽風暴吹來的粒子產(chan) 生的，這些被加速的粒子沿著地球的磁感線匯聚到高緯度地區，然後如雨點般擊中上層大氣，與(yu) 大氣中的粒子互相作用形成了天空中閃耀的光幕。

如今，科學家們(men) 通過在實驗室中複製該過程，首次證明並確認了粒子加速發生的機製。正如科學家們(men) 所想的那樣，正是被稱為(wei) 阿爾文波（Alfvén waves）的強大電磁波在沿著磁感線加速電子。

愛荷華大學的物理學家 Craig Kletzing 說：“這些電磁波可以為(wei) 創造極光的電子提供能量的想法可以追溯到40多年前，但這是我們(men) 第一次能夠明確證實它的作用。這些實驗讓我們(men) 進行了關(guan) 鍵測量，表明空間測量和理論確實解釋了產(chan) 生極光的主要方式。”

極光產(chan) 生原因示意圖（圖片來源：Austin Montelius, College of Liberal Arts and Sciences, University of Iowa）

阿爾文波並不是很新的概念。它的概念是由諾貝爾獎得主，瑞典物理學家漢尼斯·阿爾文（Hannes Alfvén）在 1942 年首次描述的，即一種導電流體(ti) 中沿著磁感線方向傳(chuan) 播的橫波。這種波是磁流體(ti) 力學係統中能量和動量傳(chuan) 輸的重要機製。也就是說，它可以加速粒子。

阿爾文波在地球磁感線中已經被觀測到了，而航天器甚至在極光之上觀察到了朝向地麵的阿爾文波。人們(men) 普遍認為(wei) 阿爾文波在極光的電子加速中發揮了作用，但查明確切的作用機製並不容易。

因此，由惠頓學院的物理學家 Jim Schroeder 領導的一組科學家使用加州大學洛杉磯分校的大型等離子體(ti) 裝置( LAPD ) 仔細地觀察了這一現象。LAPD 是一個(ge) 長 20 米、直徑 1 米的圓柱形真空艙，其中擁有強大的磁場。

LAPD實驗裝置（圖片來源：Basic Plasma Science Facility/UCLA）

加州大學洛杉磯分校的物理學家 Troy Carter 說：“這項具有挑戰性的實驗需要測量極少量的電子，其數量不到等離子體(ti) 中電子的千分之一，這些電子以幾乎與(yu) 阿爾文波相同的速度沿 LAPD 艙移動。”

研究小組在 LAPD 艙的等離子體(ti) 中生成了阿爾文波，同時在與(yu) 極光形成相似的條件下測量電子速度分布。他們(men) 發現阿爾文波通過波共振將能量傳(chuan) 遞給電子，共振的速度類似於(yu) 波的相速度。

愛荷華大學的物理學家 Greg Howes 說：“測量表明，這一小群電子在阿爾文波的電場作用下經曆了‘共振加速’，類似於(yu) 衝(chong) 浪運動員緊跟浪頭，隨著波浪移動而不斷加速。” 

這個(ge) 過程被稱為(wei) 朗道阻尼（Landau damping），因為(wei) 能量從(cong) 波到粒子的傳(chuan) 遞對波造成了阻尼，從(cong) 而防止出現不穩定性。根據研究小組的分析，電子速度產(chan) 生的特征是朗道阻尼的已知特征，這表明發生了共振加速。

通過將他們(men) 的結果與(yu) 極光模型進行比較，研究小組能夠證明電子的通電率（energization rate）與(yu) 現實中的朗道阻尼一致。

研究人員寫(xie) 道：“實驗和極光模型之間每個(ge) 電子的通電率是一致的。這一結果證實了最終所需要的關(guan) 聯，並且表明我們(men) 已經給出了直接的實驗確證，即阿爾文波可以加速沉降到電離層中的電子，並產(chan) 生迷人耀眼的極光。”

原文鏈接：

https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-lab-experiment-confirms-the-waves-that-cause-auroras

相關(guan) 論文：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23377-5


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