Physiker finden “schlüssige Beweise” für den Mechanismus hinter den hellsten Polarlichtern

Zoomen / Physiker haben schlüssige Beweise dafür vorgelegt, dass die Aurora Borealis, die den Himmel in hohen Breiten beleuchtet, durch Elektronen verursacht wird, die durch eine starke elektromagnetische Kraft namens Alvin-Wellen beschleunigt werden.

Austin Montelius, University of Iowa

Im August und September 1859 gab es einen großen geomagnetischen Sturm – auch bekannt als Carrington-Ereignis, Das Der größte aller Zeiten– die schillernde Polarlichter hervorbrachte, die in den Vereinigten Staaten, Europa, Japan und Australien sichtbar waren. Wissenschaftler sind seit langem von den grundlegenden physikalischen Prozessen fasziniert, die zu solchen Displays führen, aber während der zugrunde liegende Mechanismus verstanden ist, ist unser Verständnis noch unvollständig. für mich neues Papier Veröffentlicht in Nature Communications, Elektronen in der Ionosphäre der Erde fangen eine Plasmawelle ein, um mit genügend Energie auf die Erde zu beschleunigen, um die hellste Aurora zu erzeugen.

Die erstaunlichen Wechseleffekte der sogenannten Nordlichter (oder der Südlichter, wenn sie sich auf der Südhalbkugel befinden) sind das Ergebnis geladener Teilchen von der Sonne, die auf den Planeten Erde geworfen werden. Magnetosphäre, wo sie mit Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen kollidieren – eine Reaktion, die diese Moleküle anregt und sie zum Leuchten bringt. Die Aurora Borealis erscheinen normalerweise als schimmernde Bänder am Himmel, in Grün-, Violett-, Blau- und Gelbtönen. Die Lichter sind meist nur in den Polarregionen sichtbar, weil die Teilchen den Magnetfeldlinien der Erde folgen, die aus der Nähe der Pole herausschießen.

Es gibt verschiedene Arten von Aurora-Displays, wie das “diffuse” Aurora (ein schwaches Leuchten in der Nähe des Horizonts), den seltenen “Sitz-Zaun” undDünen “, und “Separate Twilight Arcs” – die intensivste Variante, die als schimmernde Lichtvorhänge am Himmel erscheint. Die einzelnen Polarlichtbögen können so hell sein, dass man bei ihrem Licht eine Zeitung lesen kann. (Astronomen kamen zu dem Schluss, dass es das Phänomen war, das den Spitznamen einbrachte STEVE (Starker Wärmeemissions-Geschwindigkeits-Booster) Vor einigen Jahren war es noch kein echtes Polarlicht, weil es durch die hohe Temperatur geladener Teilchen verursacht wurde in der Ionosphäre.) Wissenschaftler glauben, dass es verschiedene Mechanismen gibt, durch die ausgefällte Partikel beschleunigt werden, um jede Spezies zu produzieren.

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Eine der unbeantworteten Fragen ist, wie genau die Elektronen beschleunigen, bevor sie auf die Ionosphäre treffen. Physiker der University of Iowa, des Wheaton College, der University of California, Los Angeles (UCLA) und des Space Science Institute in Los Angeles wollten insbesondere den Mechanismus hinter den diskreten Polarlichtbögen erforschen. Zu den vorgeschlagenen Theorien gehört, dass Elektronen aufgrund des sogenannten . beschleunigt werden zweitausend موجات Wellen Reise Richtung Erde.

Alvin-Wellen haben ihren Ursprung im Plasma, einem vierten Aggregatzustand, der ähnliche Eigenschaften wie Flüssigkeiten und Gase hat, aber auch magnetische (und manchmal elektrische) Felder enthält. Sie wurden erstmals 1942 von einem schwedischen Plasmaphysiker vermutet Hanes Alvin Es wurde seitdem sowohl in terrestrischen als auch in Weltraumplasmen beobachtet. Unter bestimmten Bedingungen können Alvin-Wellen Energie mit Plasmateilchen austauschen und sie manchmal in Wellenbecken einfangen. Es wurde vermutet, dass Alfvén-Wellen für die Beschleunigung ausfallender Teilchen verantwortlich sind, was schließlich zum Auftreten separater Polarbögen führt.

Elektronen werden beim Surfen auf zweitausend Wellen beschleunigt.
Zoomen / Elektronen werden beim Surfen auf zweitausend Wellen beschleunigt.

gemäß für Autoren, die Theorie geht ungefähr so. Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe können zu starken geomagnetischen Stürmen führen. Diese Stürme wiederum können dazu führen, dass Magnetfeldlinien von der Süd- und Nordhalbkugel brechen und sich reparieren (Magnetische Wiederverbindung), bevor sie wie ein verlängertes Gummiband in Richtung Boden schnappen. Dieser Rückprall setzt Alfvén-Wellen frei, die sich entlang magnetischer Feldlinien zur Erde bewegen und sich dank der zunehmenden Stärke des Erdmagnetfelds auf bis zu 35.000 km/s (etwa 80 Millionen Meilen pro Stunde) beschleunigen.

Währenddessen sind die Elektronen in der Erde gefangen Magnetosphäre Abnahme der thermischen Geschwindigkeit. In einer Höhe von weniger als 20.000 km (oder 12.000 Meilen) bewegen sich zweitausend Wellen etwas schneller als die thermische Geschwindigkeit der Elektronen. Dadurch können Elektronen, die sich in die gleiche Richtung bewegen, die zwei Tausendstel “surfen”. Jeder Surfer kann Ihnen sagen, dass der Trick zum Erwischen einer Welle darin besteht, zu paddeln, bis die Geschwindigkeit des Boards der Geschwindigkeit der nächsten Welle entspricht; Sonst geht die Welle vorbei und du schaukelst auf deinem Surfbrett zurück und siehst, wie alle den Spaß haben. Elektronen machen im Grunde das Gleiche.

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Wenn Energie von den Wellen auf die Elektronen übertragen wird, beschleunigen diese Elektronen mit bis zu 20.000 km/s (oder 45 Millionen Meilen pro Stunde), bevor sie mit Atomen in dünner Luft aus der oberen Atmosphäre kollidieren, was zu einem separaten Polarbogen führt. Es ist ein Phänomen, das als bekannt ist Landau-DämpfungNachdem der sowjetische Physiker Liv Landau die er 1946 erstmals theoretisch beschrieb. Der Effekt ist auch für die Stabilität in Teilchenbeschleunigern notwendig, da er unerwünschte Bewegungen von Teilchenstrahlen verhindert, die über elektromagnetische Felder mit ihrer Umgebung wechselwirken.

Es gibt tatsächlich einige Beweise, die diese Theorie aus Beobachtungen von erdbewegenden Alfn-Wellen über der Aurora stützen, die während des Vorbeiflugs von Höhenforschungsraketen und einigen Raumfahrzeugmissionen gemacht wurden. Aber es fehlt noch eine definitive Messung sowohl der zwei Tausendstel als auch der beschleunigenden Elektronen. Also beschloss das Team, eine Reihe von Experimenten in große Plasmamaschine (LPD) an der Basic Plasma Science Facility der University of California, die erzeugt Plasma Kann Alfvén-Wellen unterstützen – ähnlich wie Plasma im Weltraum, wenn auch auf einem kleineren Erdmaßstab.

Panoramaansicht des großen Plasmageräts, einer zylindrischen Vakuumkammer von etwa 20 m Länge und 1 m Durchmesser, die in starke axiale Magnetfeldspulen (lila und gelb) gehüllt ist.
Zoomen / Panoramaansicht des großen Plasmageräts, einer zylindrischen Vakuumkammer von etwa 20 m Länge und 1 m Durchmesser, die in starke axiale Magnetfeldspulen (lila und gelb) gehüllt ist.

Es war eine gewaltige Herausforderung, denn sie mussten nur sehr wenige Elektronen messen, während sie in die LPD-Kammer beschleunigten, fast die gleiche Geschwindigkeit wie die zweitausendsten Wellen. Also mussten die Physiker eine Reihe neuer Werkzeuge und Techniken entwickeln – nicht nur ein Gerät, das empfindlich genug ist, um einige Elektronen zu messen, sondern auch eine Hochenergieantenne, die Alfvén-Wellen mit den richtigen Eigenschaften abschießt, um diese Elektronen zu beschleunigen. Sie mussten auch herausfinden, wie man die Messungen von Elektronen und elektrischen Feldern kombiniert, um eine einzigartige Signatur dieser Beschleunigung zu erhalten.

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Alle Elektronen im Plasma, das in der Experimentierkammer erzeugt wurde, bewegten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, aber weniger als ein Tausendstel bewegte sich mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit wie die zweitausendsten Wellen durch die Kammer. Wie erwartet, “haben die Messungen ergeben, dass diese kleine Gruppe von Elektronen durch das elektrische Feld einer zweitausendsten Welle eine ‘Buzz-Beschleunigung’ erfährt, ähnlich wie ein Surfer, der eine Welle aufnimmt und ständig beschleunigt, wenn sich der Surfer mit der Welle bewegt. Co-Autor Greg Howes sagte, Physiker an der University of Iowa. Die experimentellen Ergebnisse stimmen mit ihrer erwarteten Signatur des Dämpfungseffekts überein.

“Die Idee, dass diese Wellen die Elektronen anregen könnten, die die Polarlichter erzeugen, reicht mehr als vier Jahrzehnte zurück, aber dies ist das erste Mal, dass wir definitiv bestätigen können, dass sie funktionieren.” Co-Autor Craig Klitzing sagte:Außerdem ist er Physiker an der University of Iowa. “Diese Experimente ermöglichen es uns, die wichtigsten Messungen durchzuführen, die zeigen, dass Weltraummessungen und -theorien tatsächlich die Hauptart erklären, wie die Polarlichter gebildet werden.”

DOI: Naturkommunikation, 2021. 10.1038 / s41467-021-23377-5 (Über DOIs).

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