الشفق القطبي واحدة من أجمل المشاهد التي تخطف الأنفاس التي يمكن أن تحشدها سمائنا هي الوهج الراقص لأضواء الشفق. ومع ذلك ، لا تزال هذه الظاهرة الرائعة غير مفهومة تمامًا.
نحن نعلم أنه ناتج عن جزيئات منفوخة من العواصف الشمسية ، متسارعة على طول خطوط المجال المغناطيسي للأرض إلى خطوط العرض الأعلى ، حيث تمطر في الغلاف الجوي العلوي. هناك ، تولد التفاعلات مع الجزيئات في الغلاف الجوي ستائر من الضوء تتلألأ عبر السماء.
الآن ، ولأول مرة ، أظهر العلماء وأكدوا الآلية التي يحدث بها تسارع الجسيمات – من خلال تكرار العملية في المختبر. كما كان يعتقد العلماء ، فإن الموجات الكهرومغناطيسية القوية المعروفة باسم موجات ألفين تعمل على تسريع الإلكترونات على طول خطوط المجال المغناطيسي.
قال الفيزيائي كريج كليتزنج من جامعة أيوا: “تعود فكرة أن هذه الموجات يمكن أن تنشط الإلكترونات التي تخلق الشفق القطبي منذ أكثر من أربعة عقود ، ولكن هذه هي المرة الأولى التي تمكنا فيها من التأكد بشكل قاطع من أنها تعمل”.
“تتيح لنا هذه التجارب إجراء القياسات الرئيسية التي تُظهر أن قياسات الفضاء ونظرياته تشرح بالفعل الطريقة الرئيسية التي يتم بها تكوين الشفق القطبي.”
لقد عرفنا عن موجات ألفين لفترة طويلة. تم وصفها لأول مرة من قبل المهندس الكهربائي السويدي Hannes Alfvén في عام 1942 – موجات عرضية في سائل كهربائي تنتشر على طول خطوط المجال المغناطيسي. هذه الموجات هي آلية مهمة لنقل الطاقة والزخم في الأنظمة المغنطيسية الهيدروديناميكية ؛ أي أنها تستطيع تسريع الجسيمات.
وقد لوحظت موجات ألفين في خطوط المجال المغناطيسي للأرض ، وقد لاحظت المركبات الفضائية موجات ألفين باتجاه الأرض فوق الشفق القطبي. من المقبول على نطاق واسع أن تلعب موجات ألفين دورًا في تسارع الإلكترون الشفقي – لكن تحديد الدور الدقيق كان صعبًا إلى حد ما.
لذلك استخدم فريق من العلماء بقيادة الفيزيائي جيم شرودر من كلية ويتون جهاز البلازما الكبير (LAPD) في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس لإلقاء نظرة فاحصة على هذه الظاهرة. هذه غرفة مفرغة أسطوانية بطول 20 مترًا (66 قدمًا) وقطرها متر واحد (3.3 قدم) ، مع مجال مغناطيسي قوي.
قال الفيزيائي تروي كارتر Troy Carter من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: “تتطلب هذه التجربة الصعبة قياس عدد قليل جدًا من الإلكترونات التي تتحرك أسفل حجرة LAPD بنفس سرعة موجات ألفين تقريبًا ، والتي يبلغ عددها أقل من واحد من كل ألف إلكترون في البلازما”. .
قام الفريق بتوليد موجات ألففين بالبلازما في شرطة لوس أنجلوس ، وقاموا في نفس الوقت بقياس توزيع سرعة الإلكترون ، في ظل ظروف ذات صلة بتكوين الشفق القطبي. ووجدوا أن موجات ألفين تنقل الطاقة إلى إلكترونات لها صدى مع الموجات – وهي سرعة مماثلة لسرعة طور الموجات.
قال الفيزيائي جريج هاوز من جامعة أيوا: “كشفت القياسات أن هذه المجموعة الصغيرة من الإلكترونات تخضع لـ” تسارع طنين “بواسطة المجال الكهربائي لموجة ألفين ، على غرار راكب الأمواج الذي يمسك بموجة ويتم تسريعها باستمرار مع تحرك راكب الأمواج جنبًا إلى جنب مع الموجة”. .
تُعرف هذه العملية باسم تخميد لانداو ، لأن نقل الطاقة من الموجة إلى الجسيم يخمد الموجة ، مما يمنع بدوره عدم الاستقرار من الظهور. وفقًا لتحليل الفريق ، كان التوقيع الناتج عن سرعة الإلكترون هو التوقيع المعروف لتخميد لانداو ، مما يشير إلى حدوث تسارع بالرنين.
من خلال مقارنة نتائجهم بنموذج الشفق القطبي ، تمكن الفريق من إثبات أن معدل تنشيط الإلكترونات كان متسقًا مع تخميد لانداو في الشيء الحقيقي.
كتب الباحثون: “إن اتفاق معدل التنشيط لكل إلكترون بين التجربة والنموذج الشفقي” يؤسس الاتصال النهائي المطلوب لإثبات أننا قدمنا تأكيدًا تجريبيًا مباشرًا بأن موجات ألفين يمكنها تسريع الإلكترونات التي تترسب في الأيونوسفير وتولد الوهج الرائع للشفق القطبي. “
