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Le mystère de l’origine des aurores terrestres résolu par des électrons « surfants »

Les aurores boréales trouvées dans l’hémisphère nord et les aurores australes dans l’hémisphère sud ont captivé l’humanité depuis l’aube de la civilisation. Ces spectacles de lumière naturelle offrent l’occasion la plus proche que nous puissions avoir de faire l’expérience de la météo spatiale – des conditions qui sont causées par l’activité à la surface du soleil et, en tant que telles, elles suivent la cycle solaire.

aurores sont causés lorsque les électrons émis par le soleil dans le cadre de la ‘vent solaire‘ se précipitent vers la Terre et sont canalisés le long des lignes de champ magnétique de la Terre où ils entrent ensuite en collision avec des molécules d’oxygène et d’azote dans l’ionosphère – la haute atmosphère entre 80 et 600 kilomètres. L’absorption d’énergie par les ions oxygène et azote les amène à passer à un état de haute énergie « excité ». Pour se détendre, les molécules réémettent l’énergie sous forme de lumière, qui se présente sous la forme de rubans de teintes vertes et rouges dans le ciel – l’aurore.

Bien que les scientifiques comprennent ce qui cause les aurores, un mystère demeure : comment ces électrons accélèrent-ils à des vitesses allant jusqu’à 45 millions de miles par heure lors de la dernière partie de leur voyage dans l’ionosphère ? Une équipe de physiciens dirigée par l’Université de l’Iowa a maintenant la réponse, leurs découvertes ont été publié en ligne le 7 juin dans la revue Nature Communications.

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Les scientifiques ont trouvé la première preuve définitive que les électrons captent une onde – en particulier les ondes d’Alfvén, qui voyagent vers la Terre le long des lignes de champ magnétique au-dessus des aurores.

Les expériences menées au Large Plasma Device (LPD) de l’installation scientifique de plasma de base de l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont consisté à simuler les conditions dans les aurores terrestres. magnétosphère — la région de l’espace où interagissent le champ magnétique terrestre et le vent solaire. L’équipe a ensuite lancé des ondes d’Alfvén dans la chambre de 20 mètres de long de l’appareil à plasma et a enregistré si les électrons à l’intérieur de la chambre étaient affectés par les ondes d’Alfvén.

« Les mesures ont révélé que cette petite population d’électrons subit une » accélération résonnante « par le champ électrique de l’onde d’Alfvén, semblable à un surfeur attrapant une vague et étant continuellement accéléré lorsque le surfeur se déplace avec la vague », a déclaré Gregory Howes, professeur agrégé de physique à l’Université de l’Iowa dans un déclaration.

Les scientifiques ont mesuré l’accélération de la résonance et l’ont trouvée suffisamment importante pour accélérer les électrons aux niveaux nécessaires pour créer des affichages d’aurores, fournissant ainsi la première preuve directe que les électrons surfant sur les ondes d’Alfvén créent des aurores.

Cette notion d’électrons « surfants » a été théorisée pour la première fois par le physicien russe Lev Landau en 1946 et est connue sous le nom d’amortissement de Landau. Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont prouvé sa théorie grâce à des mesures expérimentales, des simulations numériques et une modélisation mathématique.

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