幾千年來(lái)，高緯度地區(qū)天空的北極光一直吸引著人們。但它們是如何產(chǎn)生的，雖然有理論依據(jù)，但沒有得到確切的證明。

在一項(xiàng)新的研究中，由愛荷華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)報(bào)告了明確的證據(jù)，即最明亮的極光是由地磁暴期間的強(qiáng)大電磁波產(chǎn)生的。這種現(xiàn)象被稱為阿爾芬波，它加速電子向地球移動(dòng)，導(dǎo)致粒子產(chǎn)生我們熟悉的大氣光秀。

這項(xiàng)研究于6月7日在線發(fā)表在《自然-通訊》雜志上，它結(jié)束了數(shù)十年來(lái)的探索，即在與地球極光磁層相應(yīng)的條件下，通過實(shí)驗(yàn)證明阿爾芬波加速電子的物理機(jī)制。 

愛荷華大學(xué)物理和天文學(xué)系副教授、研究報(bào)告共同作者Greg Howes說(shuō)：“測(cè)量結(jié)果顯示，這一小部分電子在阿爾芬波的電場(chǎng)作用下經(jīng)歷了‘共振加速’，類似于沖浪者抓住一個(gè)波浪，在沖浪者隨波逐流時(shí)不斷被加速。”

科學(xué)家們已經(jīng)知道，從太陽(yáng)發(fā)出的高能粒子--例如以大約每小時(shí)4500萬(wàn)英里的速度飛馳的電子--沿著地球的磁場(chǎng)線沉淀到大氣層上部，在那里它們與氧氣和氮?dú)夥肿优鲎�，使它們處于一個(gè)激發(fā)狀態(tài)。這些受激分子通過發(fā)光而放松，產(chǎn)生了極光的五彩繽紛的色調(diào)。

該理論得到了航天器任務(wù)的支持，這些任務(wù)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)阿爾芬波在極光上方向地球移動(dòng)，可能沿途加速了電子。雖然基于空間的測(cè)量支持了這一理論，但航天器和火箭測(cè)量的固有限制阻礙了一個(gè)明確的測(cè)試。

物理學(xué)家們能夠在加州大學(xué)洛杉磯分校基礎(chǔ)等離子體科學(xué)設(shè)施的大型等離子體裝置（LPD）進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)中找到確認(rèn)的證據(jù)，該設(shè)施是由美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)共同支持的國(guó)家合作研究設(shè)施。

愛荷華大學(xué)物理和天文學(xué)系教授、該研究的共同作者Craig Kletzing說(shuō)：“這些波可以給產(chǎn)生極光的電子提供能量的想法可以追溯到40多年前，但這是我們第一次能夠明確地確認(rèn)它的作用。這些實(shí)驗(yàn)讓我們進(jìn)行了關(guān)鍵的測(cè)量，表明空間測(cè)量和理論確實(shí)解釋了極光產(chǎn)生的一個(gè)主要方式�！�

電子在波的電場(chǎng)上“沖浪”的現(xiàn)象是一個(gè)被稱為“朗道阻尼”（Landau damping）的理論過程，由俄羅斯物理學(xué)家Lev Landau在1946年首次提出。通過數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)建模，研究人員證明他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與“朗道阻尼”的預(yù)測(cè)特征一致。

加州大學(xué)洛杉磯分校物理學(xué)教授兼加州大學(xué)洛杉磯分校等離子體科學(xué)和技術(shù)研究所所長(zhǎng) Troy Carter說(shuō)，實(shí)驗(yàn)、模擬和建模的一致提供了第一個(gè)直接證據(jù)，證明阿爾芬波可以產(chǎn)生加速電子，導(dǎo)致極光。

卡特說(shuō)：“這個(gè)具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量在LPD室中以幾乎與阿爾芬波相同的速度移動(dòng)的非常小的電子群，其數(shù)量不到等離子體中電子的千分之一�！�

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