科学家直接观察到北极光的电子动力学

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2018-02-28 21:36:55

【博科园-科学科普(关注“博科园”看更多)】由国际科学家组成的研究小组首次直接观测到,在地球磁层(俗称“北极光”)上的大量电子碰撞。虽然这些多彩的极光的原因一直被假设,但直到现在,研究人员一直没有直接观察到它的内在机制。研究结果发表在《自然》杂志上。北极光的奇观是世界上最伟大的自然奇观之一。在各种极光中,黎明出现的脉冲极光是很常见的,但是驱动这种极光脉冲的物理机制从来没有通过观察得到证实。有了一颗携带先进测量工具的卫星,研究人员已经发现这种现象是由电子和等离子体波之间难以探测的相互作用引起的。这种相互作用发生在地球的磁层中,在地球周围的区域,电粒子的行为通常是由行星的磁场支配的。

ERG宇宙飞船观测到在磁层上的齐声发射和散射电子,这是脉冲极光的起源。散射电子沉淀到大气中,导致极光照明,间断出现的合唱波和相关的电子散射导致极光脉冲。图片版权:2018 ERG science

日本东京大学的副教授Satoshi Kasahara是该论文的主要作者写道:太阳风暴是由磁层的全球重新配置引起的,它释放了储存的太阳风能量,它们的特征是从黄昏到午夜的极光,然后是明显的极光弧的剧烈运动,最终会破裂,并在黎明时显现为弥漫性、搏动的极光。全球的重新配置常常驱动一种特定类型的等离子体波,称为“合唱波”,使电子进入高层大气,这样就稳定了系统,并在电子下落时发出了一束光。然而科学家们已经质疑,这些大合唱的声波是否足够强大,能够激发电子产生极光的程度。Kasahara说:我们第一次直接观察到在地球大气中产生粒子沉淀的齐声波散射电子,析出的电子通量足以产生脉冲极光。

脉冲极光,即闪烁的光片的起源,现在由ERG宇宙飞船直接观测到。磁层中的电子通常沿著地磁场弹跳,被认为是由齐声波散射,从而导致大气中的沉淀。间歇爆发的合唱队引起了降水的脉动和相关的极光照明。ERG探测器显示,在磁层中确实发生了这种由副歌引起的电子散射。科学家们以前无法看到电子散射的直接证据,因为典型的电子传感器无法分辨出从其他电子中析出的电子。Kasahara和他的团队设计了一个专门的电子传感器,用来探测由大合唱驱动的极光电子的精确相互作用。该传感器是在地球空间(ERG)卫星上探测能量和辐射的,也被称为Arase航天器,由日本航空航天探索机构发射。科学家们计划进一步研究这一领域。Kasahara说:“通过对ERG航天器收集到的数据进行更全面的分析,我们将揭示等离子体物理学和由此产生的大气现象(如极光)的可变性和进一步的细节。

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