点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:一项新实验证实了极光背后的“旧”猜想
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

一项新实验证实了极光背后的“旧”猜想

来源:科技日报2021-06-17 09:54

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  天空中舞动的唯美极光,是地球上最令人叹为观止的景象之一。但多年以来,这种现象产生的原因并没有被完全理解。

  在最近一篇发表在《自然·通讯》上的论文中,科学家通过在地面模拟极光,最终将极光中粒子的加速机制指向了阿尔文波。

  阿尔文波概念已诞生近80年

  众所周知,极光是由太阳风暴吹来的粒子产生的,这些被加速的粒子沿着地球的磁感线汇聚到高纬度地区,然后如雨点般击中上层大气,与大气中的粒子互相作用形成了天空中闪耀的光幕。

  如今,科学家们通过在实验室中复制该过程,首次证明并确认了粒子加速发生的机制。正如科学家们所想的那样,正是被称为阿尔文波(Alfvén waves)的强大电磁波在沿着磁感线加速电子。

  美国爱荷华大学的物理学家Craig Kletzing说:“这些电磁波可以为创造极光的电子提供能量的想法,可以追溯到40多年前,但这是我们第一次能够明确证实它的作用。这些实验让我们进行了关键测量,表明空间测量和理论确实解释了产生极光的主要方式。”

  阿尔文波并不是很新的概念。它的概念是由诺贝尔奖得主、瑞典物理学家汉尼斯·阿尔文(Hannes Alfvén)在1942年首次描述的,即一种导电流体中沿着磁感线方向传播的横波。这种波是磁流体力学系统中能量和动量传输的重要机制。也就是说,它可以加速粒子。

  阿尔文波在地球磁感线中已经被观测到了,而航天器甚至在极光之上观察到了朝向地面的阿尔文波。人们普遍认为阿尔文波在极光的电子加速中发挥了作用,但查明确切的作用机制并不容易。

  使用大型等离子体装置进行实验

  因此,由美国惠顿学院的物理学家Jim Schroeder领导的一组科学家使用加州大学洛杉矶分校的大型等离子体装置(LAPD)仔细地观察了这一现象。LAPD是一个长20米、直径1米的圆柱形真空舱,其中拥有强大的磁场。

  美国加州大学洛杉矶分校的物理学家Troy Carter说:“这项具有挑战性的实验需要测量极少量的电子,其数量不到等离子体中电子的千分之一,这些电子以几乎与阿尔文波相同的速度沿LAPD舱移动。”

  研究小组在LAPD舱的等离子体中生成了阿尔文波,同时在与极光形成相似的条件下测量电子速度分布。他们发现阿尔文波通过波共振将能量传递给电子,共振的速度类似于波的相速度。

  爱荷华大学的物理学家Greg Howes说:“测量表明,这一小群电子在阿尔文波的电场作用下经历了‘共振加速’,类似于冲浪运动员紧跟浪头,随着波浪移动而不断加速。”

  这个过程被称为朗道阻尼(Landau damping),因为能量从波到粒子的传递对波造成了阻尼,从而防止出现不稳定性。根据研究小组的分析,电子速度产生的特征是朗道阻尼的已知特征,这表明发生了共振加速。

  通过将他们的结果与极光模型进行比较,研究小组能够证明电子的通电率(energization rate)与现实中的朗道阻尼一致。

  研究人员写道:“实验和极光模型之间每个电子的通电率是一致的。这一结果证实了最终所需要的关联,并且表明我们已经给出了直接的实验确证,即阿尔文波可以加速沉降到电离层中的电子,并产生迷人耀眼的极光。”

  (Michelle Starr撰文、Jubilee翻译,据《环球科学》)

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 历时14年我国为海外中国青铜器“建档”

  • 第139届广交会第一期到会境外采购商数量创历届新高

独家策划

推荐阅读
正值春耕关键期,河南滑县的万亩麦田里,种粮大户不再需要徒步巡查耕地,只需轻点手机,卫星遥感图便将田块边界、墒情分布与作物长势清晰呈现。
2026-04-20 09:51
在苏州大学江苏省先进负碳技术重点实验室,纳米科学技术学院博士生郁操正操作X射线光电子能谱仪,分析一块特殊的测试样品。张晓宏表示,学校将继续深化“学术大师+创新团队”模式,完善交叉课程体系,培养出更多能服务地方产业、对接国家战略、为新质生产力助力的拔尖创新人才。
2026-04-20 09:47
绿色设计不仅是实现碳达峰、碳中和目标的关键工具,更是推动产业转型升级、培育新质生产力的源头性驱动力。“十五五”规划纲要明确提出:“鼓励企业提高绿色设计和制造水平,降低产品全生命周期能源资源消耗和生态环境影响。
2026-04-20 09:44
当前,全球具身智能产业进入从实验室研发到产业化落地的关键跃升期,成为大国科技博弈的重点领域。具身智能产业横跨人工智能、高端制造、新材料、电子信息等多元领域,唯有系统集成、协同创新才能释放最大效能。
2026-04-20 09:43
飞机即将着陆,一位怀抱婴儿的年轻妈妈突然求助——她头晕、想吐。这本书是谭先杰沉淀十多年的健康传播实践心得,也是他投身医学科普以来,对“如何做好健康科普”进行的系统性梳理。
2026-04-20 09:54
4月10日,国家网信办、国家发展改革委、工业和信息化部、公安部、市场监管总局联合公布《人工智能拟人化互动服务管理暂行办法》,自2026年7月15日起施行。”  郑庆华表示,同济大学正在推进人工智能伦理、算法治理与安全测评研究,重点攻坚用户极端情境识别、情感边界引导、未成年人身份识别等关键技术。
2026-04-20 09:47
4月19日7时30分,2026北京亦庄半程马拉松暨人形机器人半程马拉松鸣枪开跑,人形机器人与人类跑者同时从起点出发。也有专家提醒,人形机器人正步入以场景落地为核心的攻坚期,大规模量产与普及仍面临诸多挑战。
2026-04-20 09:45
记者16日从中国科学院国家空间科学中心获悉,来自该中心等单位的科研人员,通过三维数值模拟首次揭示,月球内部的金属月核在“感受”到太空磁场突变时,会像电磁感应一样产生感应电流和感应磁场,这股力量会挤压月球周围的太阳风,在月球两侧边缘形成一道特殊的“压缩带”。这项研究不仅揭示了月球导电内核在太阳风与月球相互作用中的重要作用,也为未来探测月球内部结构提供了新依据。
2026-04-17 10:30
据中国载人航天工程办公室消息,北京时间2026年4月17日01时36分,经过约5.5小时的出舱活动,神舟二十一号乘组航天员张陆、武飞、张洪章密切协同,在空间站机械臂和地面科研人员的配合支持下,圆满完成空间碎片防护装置安装、舱外设备设施巡检等任务。
2026-04-17 10:30
今年4月17日是第三十八个世界血友病日,主题为“诊断是关怀工作的第一步”。我国血友病患者诊疗现状如何?如何早识别、早干预?患者在日常生活中如何做好管理和防护?
2026-04-17 10:21
截至2026年3月31日,29个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团共154个统筹地区完成上年度医保基金清算,覆盖率达全国统筹区总数的39%,超额完成试点任务。其中,吉林白山、浙江宁波等43个非试点地区主动对标试点标准同步完成清算任务。山东、宁夏、北京、河北、海南、天津、河南等7地完成全省(自治区、直辖市)清算。
2026-04-17 10:20
商务部新闻发言人何亚东在16日举行的新闻发布会上表示,外资研发中心是我国创新体系的重要组成部分。2月,财政部、商务部等部门共同印发了有关通知,继续对外资研发中心进口有关科研用品免征进口关税和进口环节增值税、消费税。
2026-04-17 10:13
中国科学院微小卫星创新研究院15日发布轻舟试验飞船首批科学成果:关键技术验证方面,飞船测试了密封结构、推进、惯性测量、热控环控等核心系统。
2026-04-16 09:24
此次飞行对多项关键技术进行在轨考核,同时搭载27项科学试验载荷,还携带近300件青少年科普作品和一件《马踏雄风》瓷马进入太空。
2026-04-16 09:22
15日9时50分,由中国航空工业集团自主研制的HH-200航空商用无人运输系统,在航空工业民机试飞中心渭南运营基地平稳降落,圆满完成首飞。
2026-04-16 09:21
记者15日从国家林草局获悉,在法国巴黎召开的联合国教科文组织执行局第224届会议上,我国浙江常山和四川四姑娘山顺利通过会议审议,正式成为世界地质公园。
2026-04-16 09:20
党的十八大以来,我国统筹推进扩绿、兴绿、护绿并举,城市绿化实现从“有没有”到“好不好”的跨越式发展。为精准破解部分地区绿化分布不均、群众亲近自然不便的难题,各地因地制宜、见缝插绿,把生态福祉送到群众家门口。
2026-04-16 09:18
首次增设智能穿戴、显示技术、消费级无人机、集成房屋及庭院设施等9个专区。更多新企业、新产品、新技术走向世界,服务全球消费者。
2026-04-15 11:12
根据药品流通的不同渠道,《意见》明确发挥医疗机构专业作用、引导药店合理制定药品零售价格、用好网上药店价格发现功能等措施,鼓励各类主体参与价格形成。根据药品的不同领域,《意见》强调促进创新药多元支付与价格合理形成、强化短缺药保供稳价、加强麻醉药品和精神药品价格管理、规范药品原辅料价格行为,引导关键领域药品价格保持合理水平。
2026-04-15 09:26
而泵房内的水肥一体化配料系统,则扮演着“神经网”中智能中枢的角色。“从‘两脚泥’的传统漫灌,到指尖上的智能操控,再到云端管控的智慧灌溉,这场变革只用了短短几年。
2026-04-15 09:25
加载更多