北極光，經(jīng)常被描述為地球上最偉大的“燈光秀”。幾個(gè)世紀以來(lái)，這種高緯度地區獨有的現象讓科學(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)，直到現在。

  根據一項最新發(fā)布的研究顯示，愛(ài)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大的電磁波產(chǎn)生的”。

  這些現象，也被稱(chēng)為阿爾文波(Alfven waves)，加速電子向地球移動(dòng)，導致粒子產(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(chǎng)的‘共振加速’，這類(lèi)似于沖浪者抓住一個(gè)海浪，并隨著(zhù)海浪的移動(dòng)而不斷加速?！睈?ài)荷華大學(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(zhù)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(chǎng)上“沖浪”的理論，并將其命名為朗道阻尼(Landau damping)，他的理論現已得到證實(shí)。

  重現北極光

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

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

  豪斯說(shuō):“我們使用一種特殊設計的天線(xiàn)，讓阿爾文波沿著(zhù)機器上下波動(dòng)，就像快速上下?lián)u動(dòng)花園軟管那樣，然后觀(guān)察波浪沿著(zhù)軟管傳播?！碑斔麄冮_(kāi)始經(jīng)歷電子沿著(zhù)波“沖浪”時(shí)，他們使用另一種專(zhuān)門(mén)的儀器來(lái)測量這些電子是如何從波中獲得能量的。

  盡管實(shí)驗沒(méi)有重現我們在天空中看到的彩色微光，但豪斯表示：“我們在實(shí)驗室中的測量結果與計算機模擬和數學(xué)計算的預測明顯一致，證明電子在阿爾文波上沖浪可以加速電子(速度高達4500萬(wàn)英里/小時(shí)，約7242萬(wàn)公里/小時(shí))從而產(chǎn)生極光”。

  “這些實(shí)驗讓我們進(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(zhù)者克雷格·克萊津(Craig Kletzing) 說(shuō)。

  不少太空科學(xué)家聽(tīng)到這個(gè)消息都欣喜若狂。美國宇航局(NASA)太陽(yáng)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(guò)實(shí)驗室實(shí)驗驗證有關(guān)太空環(huán)境的理論或模型是非常罕見(jiàn)的。太空明顯太龐大，無(wú)法在實(shí)驗室中輕松進(jìn)行模擬?！?

  “它確實(shí)能幫助我們更好地了解太空天氣!該項目驗證的電子加速機制在太陽(yáng)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報，NASA對此非常感興趣?！笨贫髟诮o美國有線(xiàn)電視新聞網(wǎng)絡(luò )(CNN) 的電子郵件中說(shuō)。

  未來(lái)的路還很長(cháng)

  現在極光如何形成的理論已經(jīng)被證實(shí)，要預測每次風(fēng)暴的強度還有很長(cháng)的路要走。

  豪斯副教授在一封電子郵件中表示：“根據對太陽(yáng)的觀(guān)測還有地球和太陽(yáng)之間航天器的測量，預測特定的磁風(fēng)暴的強度仍然是一個(gè)懸而未決的挑戰?！?

  “我們已經(jīng)建立了與電子在離地球表面一萬(wàn)英里的地方通過(guò)阿爾芬波沖浪的聯(lián)系，現在我們必須學(xué)習如何通過(guò)航天器觀(guān)測來(lái)預測阿爾芬波的強度，”他補充道。