Знайшли в лабораторії. Фізики розкрили таємницю хвиль, які викликають полярні сяйва

9 червня 2021, 09:01

Вчені Університету Айови в США розкрили таємницю виникнення полярного сяйва. Головну роль відіграють потужні електромагнітні хвилі під час магнітних бур.

Фізики з США вперше продемонстрували і підтвердили механізм прискорення частинок — відтворивши цей процес в лабораторії. Як і припускали вчені, потужні електромагнітні хвилі, відомі як хвилі Альфвена, прискорюють електрони уздовж силових ліній магнітного поля.

Відео дня

«Ідея про те, що ці хвилі можуть збуджувати електрони, що створюють полярне сяйво, виникла більше чотирьох десятиліть тому, але це перший раз, коли ми змогли остаточно підтвердити, що це працює», — сказав фізик Крейг Клетцінг з Університету Айови.

«Ці експерименти дозволяють нам провести ключові вимірювання, які показують, що космічні вимірювання і теорія дійсно пояснюють основний спосіб створення полярних сяйв», — додав учений.

Вперше такі хвилі були описані шведським інженером-електриком Ханнесом Альфвеном в 1942 році - поперечні хвилі в електричній рідини, що поширюються уздовж силових ліній магнітного поля. Вони є важливим механізмом перенесення енергії і імпульсу в магнитогідродинамічних системах; тобто вони можуть прискорювати частинки.

Альфвенівські хвилі спостерігалися в силових лініях магнітного поля Землі, а космічні апарати навіть спостерігали спрямовані на Землю альфвенівські хвилі над полярними сяйвами.

Тому група вчених на чолі з фізиком Джимом Шредером з Вітон-коледжу використовувала Великий полум’яний пристрій (LAPD) в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі, щоб ближче познайомитися з цим явищем. Це циліндрична вакуумна камера довжиною 20 метрів (66 футів) і діаметром 1 метр (3,3 фути) з потужним магнітним полем.

«Цей складний експеримент вимагав вимірювання дуже невеликій популяції електронів, що рухаються по камері LAPD майже з тією ж швидкістю, що і альфвенівські хвилі», — сказав фізик Трой Картер з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі.

Команда генерувала альфвенівські хвилі в плазмі в LAPD і одночасно вимірювала розподіл електронів за швидкостями в умовах, відповідних за формування полярних сяйв. Вони виявили, що альфвенівські хвилі передають енергію електронів в резонансі з хвилями — коли їх швидкість аналогічна до фазової швидкості хвиль.

«Вимірювання показали, що ця невелика популяція електронів піддається резонансному прискоренню електричним полем альфвеновської хвилі, подібно до того, як серфер ловить хвилю і постійно прискорюється, коли серфер рухається разом з хвилею», — сказав фізик Грег Хоус з Університету Айови.

Цей процес відомий як загасання Ландау, тому що передача енергії від хвилі до частинки послаблює хвилю, що, в свою чергу, запобігає виникненню нестабільності. Потім, порівнявши свої результати з модельним полярним сяйвом, команда змогла продемонструвати, що швидкість збудження електронів відповідає загасанню Ландау в реальних умовах.

«Співвідношення швидкості збудження електрона між експериментом і моделлю полярних сяйв встановлює остаточний зв’язок, необхідний для демонстрації того, що ми надали пряме експериментальне підтвердження того, що альфвенівські хвилі можуть прискорювати електрони, які генерують чаруюче сяйво», — написали дослідники.

Раніше НВ писав, що описаний в японській літописі «Ніхон Сьокі» червоний «хвіст фазана», який виник в небі над Японією в VII столітті, був, найімовірніше, полярним сяйвом. До таких висновків дійшли Рюхо Катаока, який вивчає космічну погоду в Національному інституті полярних досліджень в Японії, і його колеги.

Згідно з історичними записами, 30 грудня 620 року в небі з’явився загадковий «хвіст фазана». У той час знак вважали поганою ознакою. Сучасні вчені, озираючись назад на записи, задавалися питанням, чи могло видовище бути викликано сяйвом або кометою.

Катаока з колегами почали з порівняння історичного опису з сучасним розумінням полярних сяйв. Хоча ці небесні явища часто бувають зеленими, вони можуть з’являтися в інших кольорах, включаючи червоний, в залежності від того, які елементи в атмосфері Землі активуються зарядженими частинками.

Дослідники визначили положення магнітного полюса Землі в 620 році, щоб з’ясувати, чи могло світіння верхніх шарів виникнути в районі Японії в той час. З’ясувалося, що магнітна широта Японії в 620 році відрізнялася від сучасної: тоді вона становила 33 градуси, в той час як зараз — 25 градусів.

Показати ще новини
Радіо НВ
X