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科學家首次發現極光成因確鑿證據

研究者通過實驗第一次證明,是太陽發出的阿爾文波把電子加速吹入地球的磁場,產生了極光這種美麗的現象。此為研究者給出的示意圖。(Austin Montelius, University of Iowa)
研究者通過實驗第一次證明,是太陽發出的阿爾文波把電子加速吹入地球的磁場,產生了極光這種美麗的現象。此為研究者給出的示意圖。(Austin Montelius, University of Iowa)

編譯/高文森
極光是偶爾在高緯度地區出現的一種絢麗的光學現象。幾個世紀來科學家對其成因進行了各種猜測。6月7日發表於《自然・通訊》(Nature Communications)期刊的研究稱,終於為極光的成因提出確鑿的證據。

美國愛荷華大學(The University of Iowa)的研究組通過實驗第一次證明,是太陽發出的阿爾文波(Alfvén wave)把電子加速吹入地球的磁場,產生了這種美麗的現象。

阿爾文波是太陽內部大量等離子體大規模的活動而產生的一種特定的能量波,有能力遠距離運載大量能量。這種波以太陽能磁通管(solar magnetic flux tubes)的形式,把巨大的能量直接從太陽的內部輸送到太陽的外大氣層——日冕層,導致太陽日冕層的溫度比它下面的一層——光球層高出千倍。

這份研究顯示,阿爾文波帶動部分電子加速而產生極光。「測量顯示,小部分電子在阿爾文波電場的作用下『共振加速』,就像衝浪者騎著海浪,被海浪帶動而加速一樣。」研究者之一愛荷華大學物理與天文系副教授豪斯(Greg Howes)說。

在此之前,科學家對極光成因的理論是,太陽發出的高能粒子,比如電子,以每小時4,500萬英里高速沿著地球的磁力線落入地球高層大氣。這個區域的氧原子和氮原子被這些高能粒子觸發成為激發態。而當它們要回到較低能量態的時候,釋放的能量會以光子的形式發出,就形成了人們看到的極光。

近年來,多個太空觀測器在出現極光的上空區域探測到阿爾文波,由此科學家推測應該是阿爾文波推動了這些電子達到如此高的速度。但是,由於來自空中的觀測也有某些局限性,所以還無法確切證實這個理論。

豪斯說,雖然在實驗室設備裡沒有看到極光,但是證實電子的確可以被阿爾文波加速到每小時4,500萬英里的速度。「這個實驗的難度在於,要探測到只有少量電子被加速到接近阿爾文波的速度,等離子體內只有不到千分之一的電子被加速到這個狀態。」加州大學洛杉磯分校物理學教授卡特(Troy Carter)說。◇