北極光，經(jīng)常被描述為地球上最偉大的“燈光秀”。幾個(gè)世紀(jì)以來，這種高緯度地區(qū)獨(dú)有的現(xiàn)象讓科學(xué)家們感到驚嘆。人們也一直在猜測北極光產(chǎn)生的原因，但從未得到證實(shí)，直到現(xiàn)在。

  根據(jù)一項(xiàng)最新發(fā)布的研究顯示，愛荷華大學(xué)的一組物理學(xué)家最終證實(shí)了，“這最絕妙的極光是由地磁暴期間強(qiáng)大的電磁波產(chǎn)生的”。

  這些現(xiàn)象，也被稱為阿爾文波(Alfven waves)，加速電子向地球移動(dòng)，導(dǎo)致粒子產(chǎn)生我們所了解的極光。

  “測量表明，這一小群電子受到阿爾芬波電場的‘共振加速’，這類似于沖浪者抓住一個(gè)海浪，并隨著海浪的移動(dòng)而不斷加速?！睈酆扇A大學(xué)物理與天文學(xué)系副教授，格雷格·豪斯(Greg Howes)表示，他是該研究的合著者。

  1946年，俄羅斯物理學(xué)家列夫·蘭道(Lev Landau)首次提出電子在電場上“沖浪”的理論，并將其命名為朗道阻尼(Landau damping)，他的理論現(xiàn)已得到證實(shí)。

  重現(xiàn)北極光

  幾十年來，科學(xué)家們已經(jīng)了解了極光最有可能產(chǎn)生的原因。但現(xiàn)在他們第一次能在美國加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)基礎(chǔ)等離子科學(xué)設(shè)施實(shí)驗(yàn)室的大型等離子體設(shè)備(LPD)里模擬出它。

  科學(xué)家們利用加州大學(xué)洛杉磯分校LPD上強(qiáng)大的磁場線圈，用一個(gè)20米長的腔室重建了地球磁場。在這個(gè)腔室內(nèi)，科學(xué)家們產(chǎn)生了一種類似于地球附近空間中存在的等離子體。

  豪斯說:“我們使用一種特殊設(shè)計(jì)的天線，讓阿爾文波沿著機(jī)器上下波動(dòng)，就像快速上下?lián)u動(dòng)花園軟管那樣，然后觀察波浪沿著軟管傳播?！碑?dāng)他們開始經(jīng)歷電子沿著波“沖浪”時(shí)，他們使用另一種專門的儀器來測量這些電子是如何從波中獲得能量的。

  盡管實(shí)驗(yàn)沒有重現(xiàn)我們在天空中看到的彩色微光，但豪斯表示：“我們在實(shí)驗(yàn)室中的測量結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)學(xué)計(jì)算的預(yù)測明顯一致，證明電子在阿爾文波上沖浪可以加速電子(速度高達(dá)4500萬英里/小時(shí)，約7242萬公里/小時(shí))從而產(chǎn)生極光”。

  “這些實(shí)驗(yàn)讓我們進(jìn)行了關(guān)鍵測量，由此表明空間測量和理論確實(shí)解釋了產(chǎn)生極光的主要原因，”該研究的合著者克雷格·克萊津(Craig Kletzing) 說。

  不少太空科學(xué)家聽到這個(gè)消息都欣喜若狂。美國宇航局(NASA)太陽物理學(xué)部的科學(xué)家帕特里克?科恩(Patrick Koehn)表示：“我興奮極了!通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有關(guān)太空環(huán)境的理論或模型是非常罕見的。太空明顯太龐大，無法在實(shí)驗(yàn)室中輕松進(jìn)行模擬。”

  “它確實(shí)能幫助我們更好地了解太空天氣!該項(xiàng)目驗(yàn)證的電子加速機(jī)制在太陽系的其他地方也在發(fā)揮作用，因此它將在空間物理學(xué)中非常有用。它也將用于太空天氣預(yù)報(bào)，NASA對此非常感興趣。”科恩在給美國有線電視新聞網(wǎng)絡(luò)(CNN) 的電子郵件中說。

  未來的路還很長

  現(xiàn)在極光如何形成的理論已經(jīng)被證實(shí)，要預(yù)測每次風(fēng)暴的強(qiáng)度還有很長的路要走。

  豪斯副教授在一封電子郵件中表示：“根據(jù)對太陽的觀測還有地球和太陽之間航天器的測量，預(yù)測特定的磁風(fēng)暴的強(qiáng)度仍然是一個(gè)懸而未決的挑戰(zhàn)。”

  “我們已經(jīng)建立了與電子在離地球表面一萬英里的地方通過阿爾芬波沖浪的聯(lián)系，現(xiàn)在我們必須學(xué)習(xí)如何通過航天器觀測來預(yù)測阿爾芬波的強(qiáng)度，”他補(bǔ)充道。