Zorza polarna nad wodospadem na Islandii (fot. CNN)
(CNN) - Aurorę borealis, czyli zorzę polarną, można opisać jako największy pokaz świetlny na Ziemi. Zjawisko to, które występuje wyłącznie na najwyższych szerokościach geograficznych, od wieków wzbudza podziw i zachwyt naukowców.
Spekulowano nad przyczynami powstawania zórz, ale do tej pory nigdy nic nie zostało udowodnione.
Wreszcie rozwiązana wielka tajemnica zórz
Grupa fizyków z Uniwersytetu w stanie Iowa w końcu udowodniła, że "najlepsze zorze są wytwarzane przez potężne fale elektromagnetyczne podczas burz geomagnetycznych".
„Pomiary ujawniły, że ta niewielka populacja elektronów podlega „przyspieszeniu rezonansowemu” powodowanemu przez pole elektryczne fali Alfvena, podobnie do surfera łapiącego falę i stale przyspieszającego, gdy porusza się wraz z nią” – powiedział Greg Howes, profesor nadzwyczajny Fizyki i Astronomii na Uniwersytecie w Iowa oraz współautor badania.
Teoria elektronów „surfujących” po polu elektrycznym została po raz pierwszy wprowadzona w 1946 roku przez rosyjskiego fizyka Leva Landaua i nazwana tłumieniem Landaua. Jego teoria została udowodniona.
Odtworzenie zorzy polarnej
Naukowcy od dziesięcioleci wiedzieli, w jaki sposób najprawdopodobniej powstaje zorza polarna, ale teraz, po raz pierwszy, byli w stanie ją odtworzyć w laboratorium w Large Plasma Device (LPD) w Basic Plasma Science Facility na UCLA. Naukowcy wykorzystali komorę o długości 20 metrów do odtworzenia ziemskiego pola magnetycznego za pomocą potężnych cewek pola magnetycznego. Wewnątrz komory wygenerowali plazmę podobną do tej, która znajduje się w kosmosie w pobliżu Ziemi.
„Za pomocą specjalnie zaprojektowanej anteny wystrzeliliśmy fale Alfvena w dół maszyny, było to trochę jak szybkie potrząsanie wężem ogrodowym i obserwowaliśmy, jak fala przemieszcza się wzdłuż węża”, powiedział Howes. Gdy zauważyli elektrony „surfujące” wzdłuż fali, użyli innego specjalistycznego narzędzia, aby zmierzyć, w jaki sposób te elektrony pozyskiwały energię z fali.
Chociaż eksperyment nie odtworzył kolorowych świateł, które widzimy na niebie, „nasze pomiary w laboratorium wyraźnie zgadzały się z przewidywaniami z symulacjach komputerowych i obliczeniami matematycznymi, udowadniając, że elektrony surfujące po falach Alfvena mogą przyspieszać do prędkości 45 milionów mil na godzinę, co powoduje zorzę” - powiedział Howes.
„Te eksperymenty pozwalają nam wykonać kluczowe pomiary, które pokazują, że teoria rzeczywiście wyjaśniają główny sposób, w jaki powstaje zorza polarna” – powiedział Craig Kletzing, współautor badania.
Naukowcy zajmujący się kosmosem w całym kraju byli zachwyceni, słysząc tę wiadomość. „Byłem niesamowicie podekscytowany! Bardzo rzadko można zobaczyć eksperyment laboratoryjny, który potwierdza teorię lub model dotyczący środowiska kosmicznego” – powiedział Patrick Koehn, naukowiec z Wydziału Heliofizyki NASA. „Kosmos jest po prostu zbyt duży, aby można go było łatwo symulować w laboratorium”.
Koehn powiedział również, iż uważa, że zrozumienie mechanizmu przyspieszania elektronów wywołujących zorzę polarną ułatwi wiele badań w przyszłości.
„Pomoże nam to lepiej zrozumieć warunki kosmiczne! Mechanizm przyspieszania elektronów zweryfikowany przez ten projekt działa również w innych miejscach w Układzie Słonecznym, więc znajdzie wiele zastosowań w fizyce kosmicznej. Przyda się również w warunkach kosmicznych, coś czym NASA bardzo się interesuje” – napisał Koehn w e-mailu do CNN.
Długa droga
Teraz, gdy udowodniono, jak powstaje zorza polarna, wciąż pozostaje wiele do zrobienia w przewidywaniu, jak silna będzie każda z burz geomagnetycznych.
„Przewidywanie, jak silna będzie konkretna burza geomagnetyczna, w oparciu o obserwacje Słońca i pomiary ze statku kosmicznego między Ziemią a Słońcem, pozostaje nierozwiązanym wyzwaniem” – napisał Howes w e-mailu. „Ustaliliśmy połączenie elektronów surfujących po falach Alfvena około 10 000 mil nad powierzchnią Ziemi, a teraz musimy nauczyć się przewidywać siłę tych fal za pomocą obserwacji statków kosmicznych” – dodał.
