天空中舞動(dòng)的唯美極光，是地球上最令人嘆為觀止的景象之一。但多年以來(lái)，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因并沒(méi)有被完全理解。

在最近一篇發(fā)表在《自然·通訊》上的論文中，科學(xué)家通過(guò)在地面模擬極光，最終將極光中粒子的加速機(jī)制指向了阿爾文波。

阿爾文波概念已誕生近80年

眾所周知，極光是由太陽(yáng)風(fēng)暴吹來(lái)的粒子產(chǎn)生的，這些被加速的粒子沿著地球的磁感線(xiàn)匯聚到高緯度地區(qū)，然后如雨點(diǎn)般擊中上層大氣，與大氣中的粒子互相作用形成了天空中閃耀的光幕。

如今，科學(xué)家們通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)制該過(guò)程，首次證明并確認(rèn)了粒子加速發(fā)生的機(jī)制。正如科學(xué)家們所想的那樣，正是被稱(chēng)為阿爾文波(Alfvén waves)的強(qiáng)大電磁波在沿著磁感線(xiàn)加速電子。

美國(guó)愛(ài)荷華大學(xué)的物理學(xué)家Craig Kletzing說(shuō)：“這些電磁波可以為創(chuàng)造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證實(shí)它的作用。這些實(shí)驗(yàn)讓我們進(jìn)行了關(guān)鍵測(cè)量，表明空間測(cè)量和理論確實(shí)解釋了產(chǎn)生極光的主要方式。”

阿爾文波并不是很新的概念。它的概念是由諾貝爾獎(jiǎng)得主、瑞典物理學(xué)家漢尼斯·阿爾文(Hannes Alfvén)在1942年首次描述的，即一種導(dǎo)電流體中沿著磁感線(xiàn)方向傳播的橫波。這種波是磁流體力學(xué)系統(tǒng)中能量和動(dòng)量傳輸?shù)闹匾獧C(jī)制。也就是說(shuō)，它可以加速粒子。

阿爾文波在地球磁感線(xiàn)中已經(jīng)被觀測(cè)到了，而航天器甚至在極光之上觀察到了朝向地面的阿爾文波。人們普遍認(rèn)為阿爾文波在極光的電子加速中發(fā)揮了作用，但查明確切的作用機(jī)制并不容易。

使用大型等離子體裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

因此，由美國(guó)惠頓學(xué)院的物理學(xué)家Jim Schroeder領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家使用加州大學(xué)洛杉磯分校的大型等離子體裝置(LAPD)仔細(xì)地觀察了這一現(xiàn)象。LAPD是一個(gè)長(zhǎng)20米、直徑1米的圓柱形真空艙，其中擁有強(qiáng)大的磁場(chǎng)。

美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的物理學(xué)家Troy Carter說(shuō)：“這項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量極少量的電子，其數(shù)量不到等離子體中電子的千分之一，這些電子以幾乎與阿爾文波相同的速度沿LAPD艙移動(dòng)。”

研究小組在LAPD艙的等離子體中生成了阿爾文波，同時(shí)在與極光形成相似的條件下測(cè)量電子速度分布。他們發(fā)現(xiàn)阿爾文波通過(guò)波共振將能量傳遞給電子，共振的速度類(lèi)似于波的相速度。

愛(ài)荷華大學(xué)的物理學(xué)家Greg Howes說(shuō)：“測(cè)量表明，這一小群電子在阿爾文波的電場(chǎng)作用下經(jīng)歷了‘共振加速’，類(lèi)似于沖浪運(yùn)動(dòng)員緊跟浪頭，隨著波浪移動(dòng)而不斷加速。”

這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為朗道阻尼(Landau damping)，因?yàn)槟芰繌牟ǖ搅Ｗ拥膫鬟f對(duì)波造成了阻尼，從而防止出現(xiàn)不穩(wěn)定性。根據(jù)研究小組的分析，電子速度產(chǎn)生的特征是朗道阻尼的已知特征，這表明發(fā)生了共振加速。

通過(guò)將他們的結(jié)果與極光模型進(jìn)行比較，研究小組能夠證明電子的通電率(energization rate)與現(xiàn)實(shí)中的朗道阻尼一致。

研究人員寫(xiě)道：“實(shí)驗(yàn)和極光模型之間每個(gè)電子的通電率是一致的。這一結(jié)果證實(shí)了最終所需要的關(guān)聯(lián)，并且表明我們已經(jīng)給出了直接的實(shí)驗(yàn)確證，即阿爾文波可以加速沉降到電離層中的電子，并產(chǎn)生迷人耀眼的極光。”

(Michelle Starr撰文、Jubilee翻譯，據(jù)《環(huán)球科學(xué)》)

關(guān)鍵詞： 阿爾文波概念 極光新實(shí)驗(yàn) 地球 粒子的加速