Fale Alfvéna mają swój udział w powstawaniu zórz polarnych

Tajemnicze fale Alfvéna powodują zorze polarne

Fizycy po raz pierwszy potwierdzili istnienie tajemniczych fal powodujących zorze polarne. Może to nam pomóc zrozumieć powstawanie tych niezwykłych zjawisk.

Wiemy, że zorze polarne są generowane przez cząstki wiatru słonecznego, które są przyspieszane wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego do wyższych szerokości geograficznych. Tam, w wyniku interakcji z ziemską atmosferą, powstają kurtyny światła, które mienią się na niebie.

Naukowcy zademonstrowali i potwierdzili mechanizm, dzięki któremu następuje przyspieszenie cząstek – odtwarzając ten proces w laboratorium. Tak jak przypuszczano, to silne fale elektromagnetyczne, znane jako fale Alfvéna, przyspieszają elektrony wzdłuż linii pola magnetycznego.

Pomysł, że fale te mogą energetyzować elektrony, które tworzą zorze, sięga ponad czterech dekad wstecz, ale po raz pierwszy udało nam się ostatecznie potwierdzić, że to działa. Te eksperymenty pozwalają nam wykonać kluczowe pomiary, które pokazują, że teoria rzeczywiście wyjaśnia główny sposób, w jaki powstają zorze.

Craig Kletzing, fizyk z Uniwersytetu Iowa

Fale Alfvéna i tłumienie Landaua

O falach Alfvéna wiemy już od dawna. Zostały one po raz pierwszy opisane przez szwedzkiego inżyniera Hannesa Alfvéna w 1942 roku – poprzeczne fale w płynie elektrycznym, które rozchodzą się wzdłuż linii pola magnetycznego. Takie fale są ważnym mechanizmem transportu energii i pędu w układach magnetohydrodynamicznych, czyli mogą przyspieszać cząstki.

Fale Alfvéna zostały zaobserwowane w liniach pola magnetycznego Ziemi, a statki kosmiczne zaobserwowały je nad zorzami polarnymi. Powszechnie uważa się, że fale Alfvéna odgrywają rolę w auroralnym przyspieszaniu elektronów, ale określenie ich dokładnej roli było skomplikowane.

Zorze polarne są piękne i tajemnicze zarazem

Dlatego zespół naukowców pod kierownictwem fizyka Jima Schroedera z Wheaton College wykorzystał Large Plasma Device (LAPD) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, aby przyjrzeć się bliżej temu zjawisku. Jest to cylindryczna komora próżniowa o długości 20 metrów i średnicy 1 metra, z silnym polem magnetycznym.

Ten trudny eksperyment wymagał pomiaru bardzo małej populacji elektronów poruszających się w komorze LAPD z niemal taką samą prędkością jak fale Alfvéna, liczącej mniej niż jeden na tysiąc elektronów w plazmie.

Troy Carter, fizyk z UCLA

Zespół wygenerował fale Alfvéna w plazmie w LAPD i jednocześnie zmierzył rozkład prędkości elektronów w warunkach odpowiadających powstawaniu zorzy. Naukowcy stwierdzili, że fale Alfvéna przekazują energię elektronom, które wchodzą w rezonans z falami – z prędkością podobną do prędkości fazowej fal.

Pomiary ujawniły, że ta mała populacja elektronów ulega rezonansowemu przyspieszeniu przez pole elektryczne fali Alfvéna, podobnie jak surfer łapie falę i jest nieustannie przyspieszany, gdy porusza się wraz z falą.

Greg Howes, fizyk z Uniwersytetu Iowa

Proces ten znany jest jako tłumienie Landaua, ponieważ transfer energii z fali do cząstki tłumi falę, co z kolei zapobiega pojawieniu się niestabilności. Zgodnie z analizą zespołu, sygnatura wytworzona przez prędkość elektronów była znaną sygnaturą tłumienia Landaua, wskazując, że nastąpiło przyspieszenie rezonansowe.

Porównując swoje wyniki z modelową zorzą, zespół był w stanie wykazać, że tempo energetyzacji elektronów było zgodne z tłumieniem Landaua w rzeczywistości.