Fale Alfvéna działają jak niewidzialny akcelerator
Rozwiązaniem zagadki okazały się fale Alfvéna, a więc potężne fale plazmowe, które przemierzają przestrzeń wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego. Pełnią one rolę gigantycznych, kosmicznych akceleratorów. To właśnie one transportują ogromne ilości energii z magnetosfery wprost do górnych warstw atmosfery, gdzie około 9600 kilometrów nad naszymi głowami dochodzi do reakcji prowadzących do świecenia. Badacze z University of Hong Kong i University of California w Los Angeles, którzy opublikowali swoje ustalenia w czasopiśmie Nature Communications, nazwali ten mechanizm „kosmiczną baterią”. Cały proces polega na ciągłym gromadzeniu i uwalnianiu energii elektromagnetycznej. Swobodna energia generowana w tzw. ogonie magnetosfery jest zamieniana na fale Alfvéna, które następnie podróżują w kierunku biegunów, nieustannie „doładowując” zorzowy spektakl.
To odkrycie nie tylko dostarcza ostatecznej odpowiedzi na fizykę ziemskiej zorzy, ale także oferuje uniwersalny model mający zastosowanie do innych planet w naszym Układzie Słonecznym i poza nim – tłumaczy Zhonghua Yao z University of Hong Kong
Twarde dane z satelitów
Teoria to jedno, lecz nauka potrzebuje twardych dowodów. Te dostarczyły satelity NASA: misje Van Allen Probes i THEMIS. Naukowcy przeanalizowali szczegółowo dane z jednego zdarzenia zorzowego z kwietnia 2015 roku, łącząc obserwacje naziemne z pomiarami z różnych orbit. To pozwoliło im zobaczyć cały proces w działaniu. Kluczowym elementem układanki jest tzw. spadek potencjału elektrycznego, tworzący charakterystyczny wzór „odwróconej litery V” w danych. Fale Alfvéna dostarczają energię, która tworzy ten spadek, a ten z kolei przyspiesza elektrony. To właśnie te rozpędzone elektrony, zderzając się z cząsteczkami tlenu i azotu w atmosferze, powodują ich wzbudzenie i emisję światła.
Czytaj też: Wywrócili założenia na temat narodzin życia w kosmosie. Peptydy powstają zadziwiających okolicznościach
Liczby są tutaj najbardziej wymowne. Zmierzony strumień energii elektromagnetycznej niosącej się falą Alfvéna wynosił około 350 miliwatów na metr kwadratowy. Ta wartość w pełni wyjaśnia zaobserwowaną energię kinetyczną przyspieszanych elektronów oraz jonów. Najbardziej imponujący jest wskaźnik efektywności, czyli konwersja energii z fal na cząstki zachodzi ze sprawnością około 59%. To niezwykle wydajny proces, który tłumaczy, dlaczego zorza może świecić stabilnie przez wiele godzin, zamiast zgasnąć po krótkiej chwili.
Od Ziemi po Jowisza – ten sam mechanizm działa w całym Układzie Słonecznym.
Fale Alfvéna są fundamentalne dla fizyki plazmy, co oznacza, iż podobny mechanizm „kosmicznej baterii” prawdopodobnie działa wszędzie tam, gdzie pole magnetyczne planety oddziałuje z wiatrem słonecznym. Porównanie z Jowiszem jest tutaj niezwykle pouczające. Zorze na tym gazowym olbrzymie są setki razy potężniejsze od ziemskich, a energie przyspieszanych tam cząstek sięgają nawet 100 kiloelektronowoltów, czyli ponad dwudziestokrotnie więcej niż na Ziemi. Różnica może bezpośrednio wynikać z siły pola magnetycznego Jowisza, które w kluczowym regionie jest około dwadzieścia razy silniejsze od ziemskiego. To sugeruje, że im silniejsze pole, tym większy spadek potencjału i intensywniejsza zorza.
Nasz zespół z HKU od dawna koncentruje się na procesach zorzowych gigantycznych planet. Stosując tę wiedzę do danych o wysokiej rozdzielczości dostępnych w pobliżu Ziemi, zlikwidowaliśmy lukę między naukami o Ziemi a eksploracją planetarną – podsumowuje Yao
Czytaj też: Kosmiczny fenomen staje się coraz dziwniejszy. Tajemniczy obiekt emituje niespotykane sygnały
Podobieństwa w danych są na tyle wyraźne, że naukowcy są przekonani, iż ten sam model można zastosować do Saturna, Urana, a być może nawet do egzoplanet krążących wokół innych gwiazd. To otwiera nowe możliwości, ponieważ analizując światło odległej planety, teoretycznie moglibyśmy wnioskować o właściwościach jej magnetosfery. Odkrycie roli fal Alfvéna to kamień milowy, ale z pewnością nie ostatnie słowo. Mechanizm został zidentyfikowany i zmierzony, co jest ogromnym sukcesem, jednak szczegóły tego, jak dokładnie energia jest transferowana na poziomie mikroskopowym, wciąż wymagają doprecyzowania. Mimo to perspektywy są ciekawe. Zrozumienie tego naturalnego procesu przyspieszania cząstek może mieć zastosowanie w przyszłych technologiach, a przede wszystkim ujednolica nasze spojrzenie na zjawiska magnetyczne w kosmosie.