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 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 第33届中国杨凌农高会聚焦农业新质生产力

  • 我国成功发射卫星互联网低轨28组卫星

独家策划

推荐阅读
医药领域知识产权投资,关键不是“买专利”,而是投资一条从科研发现走向临床和市场的完整链条,打通从基础研究到产业落地的转化堵点。知识产权投资应更注重投早、投小、投长期、投硬科技,同时引入科研、临床、产业、法律和金融等多方专业力量。
2026-10-26 10:21
记者13日从民政部获悉,为发展壮大康复辅助器具产业,实现产业体系整体跃升,增进民生福祉,民政部等14部门日前联合印发《康复辅助器具产业扩能提质三年行动方案(2026—2028年)》。
2026-10-26 10:21
随着京津冀协同发展走向深入,唐山凭借不断升级的全域养老服务网络,渐渐成为京津老人跨城养老的热门目的地。如今,唐山正把“老有所养、老有所乐”的民生承诺,一步步变成老人触手可及的幸福日常。
2026-10-26 10:20
在南京,数据标注企业提供“燃料”、大模型企业主攻算法、政府持续推动场景开放,一体化产业生态逐步成型。会上,江苏发布“物理AI与世界模型高质量数据集建设行动计划”,展示一批“物理AI与世界模型”典型成果与典型场景,为全国行业发展提供实践参考。
2026-10-26 10:20
供需适配不能局限于满足企业眼前的用工需求,还应兼顾产业升级方向、人才培养周期和学生发展需要。建设技能型高校“国家队”,不仅要办好一批头部学校,更要探索其他学校可借鉴、可复制的改革发展路径。
2026-10-26 10:20
抵抗宏观物理破坏的“划不坏”能力,正是低功耗量子器件最重要的特质之一。
2026-10-23 04:20
2025年我国海洋生产总值突破11万亿元,占国内生产总值比重为7.9%。
2026-10-23 04:20
海洋能规模化利用迈出坚实步伐、取得积极成效。
2026-10-23 04:20
应急监测队不惧艰险、不计得失,以监测为刃、以坚守为盾。
2026-10-23 04:40
10月22日,工业和信息化部、国家发展改革委等八部门发布《产业基础能力提升“十五五”规划》。
2026-10-23 04:40
职工基本医疗保险(含生育保险)统筹基金收入14473.64亿元,城乡居民基本医疗保险统筹基金收入8554.69亿元。
2026-10-22 09:57
明确了如何衡量河湖复苏标准,如何确定河湖复苏目标,如何制定河湖复苏措施等技术要求,为指导母亲河复苏行动提供技术依据。
2026-10-22 09:48
聚焦医学人才培养的思想碰撞,正是学校探索育人新模式的一个缩影。
2026-10-22 09:47
形成覆盖重点领域、辐射全国的专精特新赋能网络,推动中小企业专精特新发展质量明显提升、专精特新“小巨人”企业持续涌现。
2026-10-22 09:46
这是我国首次提出全经济范围、包括所有温室气体的绝对量减排目标,为我国的绿色低碳转型指明了方向,提振了国际社会对全球气候治理的信心。
2026-10-22 09:43
2026年全国城市联合招聘高校毕业生秋季专场已推出新一批155场就业服务活动,包括面向人工智能、新能源、装备制造、现代服务、医疗卫生等重点行业领域的线上线下专场(校园)招聘会105场。
2026-10-22 09:44
担心被人工智能(AI)取代的员工,更容易在工作中消极怠工、迟到早退,甚至出现顺手拿走同事的午餐等人际越界行为。
2026-10-21 10:48
中国职业教育专题展上,摆着新能源汽车、港口航运、船舶焊接三个领域的未来实训中心项目。“无论实训条件和方式如何改变与优化,梳理并稳定现场关键岗位能力图谱,依然是未来实训中心的重要基石。
2026-10-21 10:48
记者日前从国家医保局了解到,医保钱包已升级到2.0版本,职工医保个人账户跨省共济功能实现全国全面落地。2.0版本的医保钱包都升级了哪些内容,谁可以使用,又如何使用呢?
2026-10-21 10:48
从基础化疗到双抗、多抗,再到抗体偶联药物(ADC),抗肿瘤新药正加速涌向临床。近日,京津冀第四届医药创新发展大会抗肿瘤新药安全与药学服务创新主题分会上,河北医科大学第四医院药学部主任冯锐用“百花齐放”形容当下的创新药格局。
2026-10-21 10:47
加载更多