Танцуващите светлинки на полярните сияния представляват един от най-красивите небесни спектакли. Въпреки това учените все още не познават този феномен изцяло.
Знаем, че тези сияния се образуват от заредени частици от слънчевия вятър, ускорени по линиите на земното магнитно поле в по-високите географски ширини. Оттам те падат в горната атмосфера и започват да си взаимодействат с частиците в нея. Именно това образува невероятната светлинна завеса, блещукаща на небосвода.
Сега за първи път учени демонстрираха и потвърдиха механизма, по който частиците се ускоряват. Как? Като пресъздадоха процеса в лабораторни условия. Както и предполагахме, мощни електромагнитни вълни, известни като вълни на Алфвен, ускоряват електроните по линиите на магнитното поле.
„Идеята, че тези вълни могат да възбудят електроните, които създават сиянията, датира отпреди повече от четири десетилетия. Това обаче е първият път, в който успяваме да потвърдим, че това наистина е така – казва физикът Крейг Клейцинг от Университета на Айова. – Тези експерименти ни позволяват да извършим ключовите измервания, които ни показват, че космическите измервания и теория наистина обясняват основния начин, по който сиянията се образуват.“
Източник: Austin Montelius, College of Liberal Arts and Sciences, University of Iowa
Отдавна знаем за съществуването на вълните на Алфвен. За първи път те са описани от шведския електроинженер Ханс Алфвен през 1942-ра – според него това са напречни вълни в т.нар. електрическа течност, които се разпространяват по линиите на магнитното поле. Тези вълни са важен механизъм за пренасянето на енергия и импулси в магнитохидродинамичните системи. Т.е. – могат да ускоряват частици.
Вълните на Алфвен са наблюдавани в линиите на земното магнитно поле. Космическите апарати са ги засичали и над полярните сияния. Всеобщото схващане е, че вълните на Алфвен играят роля в ускорението на електроните в тези сияния. Но каква точно? Това вече е по-сложен въпрос.
Ето защо екип от учени, ръководени от физика Джим Шрьодер от колежа „Уитън“ използват т.нар. Голямо плазмено устройство (LAPD) на Калифорнийския университет – Лос Анджелис, за да проучат феномена по-отблизо. Това е цилиндрична кухина с мощно магнитно поле, дълга 20 м и с диаметър 1 м.
“При този предизвикателен експеримент се извършват измервания на една много малка популация от електрони, движещи се през кухината на LAPD – скоростта им е почти идентична на тази на вълните на Алвен, а броят им е по-малко от 1 на 1000 спрямо електроните в плазмата“, казва физикът Трой Картър от Калифорнийския университет – Лос Анджелис.
Екипът генерира вълни на Алфвен в плазма в LAPD и едновременно с това измерва разпределението на скоростта на електроните при условия, сходни с тези при образуването на полярните сияния. Учените откриват, че вълните на Алфвен пренасят енергия към електроните в резонанс с вълните – това е скорост, сходна с фазовата скорост на вълните.
„Изчисленията показват, че благодарение на електрическото поле на вълните на Алфвен тази малка популация претърпява „резонантно ускорение“ – досущ като сърфист, който яхва вълна и започва да се ускорява постепенно, докато се придвижва по нея“, обяснява физикът Грег Хаус от Университета на Айова.
Този процес е известен като затихване на Ландау, тъй като трансферът на енергия от вълните към частицата „успокоява“ вълната, което от своя страна предотвратява потенциална нестабилност. Според анализа на екипа сигнатурата, произведена от скоростта на електроните, е тъкмо онази, която наблюдаваме и при затихването на Ландау, което означава, че е настъпило резонантно ускорение.
След като сравняват своите резултати с модел на сиянието, екипът успява да демонстрира, че степента на енергизиране на електроните е консистентна със затихването на Ландау в реалните условия.
Изследването е публикувано в Nature Communication.
