Вид развевающихся в небе полярных сияний издревле зачаровывал людей. Десятилетиями учёные ограничивались теоретическими обоснованиями возникновения данного феномена, однако в рамках нового исследования физики наконец сумели экспериментально доказать корректность существующих теорий. В частности, исследователи подтвердили причастность к образованию полярных сияний альвеновских волн, возникающих в магнитосфере Земли во время геомагнитных бурь.


Модель полярной зоны

В середине XX века учёные выдвинули предположения о том, что цветные огни полярных сияний являются следствием возбуждения молекул кислорода и азота в верхних слоях атмосферы под воздействием солнечного ветра. Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц – электронов, который «осыпает» Землю на скорости 300—1200 км/с. В результате столкновения с солнечным ветром молекулы в атмосфере получают излишек энергии, который выделяется в виде красочного свечения. В 1946 году советский физик Лев Ландау описал теоретическое явление, получившее название «затухание Ландау». Данный феномен отражает затухание электромагнитных волн плазмы при взаимодействии с резонансными частицами. Затухание происходит из-за поглощения электронами энергии волны, которая в свою очередь провоцирует их многократное ускорение. Другими словами, электроны несутся на гребне электромагнитной волны подобно оседлавшему волну сёрферу.


Физическая интерпретация явления затухания Ландау: если скорость волны (Vw) выше тепловой скорости электронов (Vp), то частицы получают резонансное ускорение, а волна постепенно затухает



Резонансное ускорение заряженных частиц солнечного ветра происходит под воздействием альвеновских волн. Эти потоки плазмы формируются во время магнитосферных суббурь – геомагнитных возмущений в полярных областях планеты. Динамика геомагнитных штормов запускает в магнитном хвосте Земли процесс магнитного пересоединения, в котором силовые линии магнитного поля планеты «ломаются», перестраиваются и устремляются обратно к её поверхности, будто резко отпущенная канцелярская резинка. Перезамыкание силовых линий магнитного поля и запускает альвеновские волны. На расстоянии около 20 тысяч км от поверхности Земли скорость этих волн превышает тепловую скорость электронов. Как следствие, движущиеся в одном направлении с альвеновскими волнами электроны получают значимое ускорение благодаря эффекту затухания Ландау.



Модель распределения электронов

Космические аппараты и прежде фиксировали движение альвеновских волн по направлению к Земле. Однако до сих пор учёные не имели возможности произвести прямое наблюдение затухания Ландау в земной магнитосфере и осуществить все необходимые измерения для доказательства прямой связи между альвеновскими волнами и появлением полярных сияний. Спустя десятки лет теоретического обсуждения данного процесса физики из Университета штата Айова, Уитонского колледжа и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе наконец сумели воспроизвести его в лабораторных условиях.


LPD

Изображение основных элементов LPD и график движения альвеновских волн внутри него

Исследователи провели эксперимент на базе Большого плазменного устройства (Large Plasma Device или LPD), действующего в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе при поддержке Министерства энергетики США и Национального научного фонда. При помощи LPD физики создали поток плазмы, достаточно мощный для поддержки альвеновских волн с параметрами, свойственными высоте, на которой наблюдается большая часть северных сияний. Параллельно этому учёные отслеживали изменения в распределении скоростей электронов, которые ускорялись под воздействием электромагнитного поля альвеновских волн. Измерения подтвердили факт передачи энергии от электромагнитных волн электронам, предсказанный теоретическими расчётами. Оказалось, что резонансное ускорение вследствие феномена затухания Ландау затрагивает менее 0,1% заряженных частиц солнечного ветра. Впрочем, последующие расчёты и компьютерные симуляции показали, что даже этого количества ускоренных электронов достаточно для возбуждения атомов кислорода и азота, которые отдают излишек энергии в виде полярных сияний.

Источники:

1. www.sciencealert.com/for-the-first-time-lab-experiment-confirms-the-waves-that-cause-auroras
2. www.nature.com/articles/s41467-021-23377-5