TiaSang
Thứ 5, Ngày 29 tháng 7 năm 2021
Đổi mới sáng tạo

Nêu bằng chứng về cách tạo ra các bắc cực quang

15/07/2021 07:30 -

Các cực quang, hay còn gọi là ánh sáng phương Bắc, tràn ngập trên bầu trời ở những vùng vĩ độ cao đã thu hút sự chú ý của con người hàng trăm năm qua. Nhưng việc chúng được tạo ra như thế nào vẫn chưa chưa được chứng minh một cách thuyết phục vì mới chỉ đề cập đến ở khía cạnh lý thuyết.

Các nhà vật lý ở trường ĐH Iowa và cộng sự đã nêu bằng chứng dứt khoát về bắc cực quang tỏa sáng trên bầu trời ở các vùng vĩ độ cao do các điện tích được gia tốc bằng một lực điện trường cực lớn gọi là sóng Alfven. Nguồn: Alex Gerst, NASA; Experimental Data Visualization: Steve Vincena, University of California, Los Angeles

Trong một nghiên cứu mới, một nhóm do các nhà vật lý ở trường đại học Iowa cho biết bằng chứng xác thực về bắc cực quang sáng nhất được tạo ra từ sóng điện từ năng lượng cực cao trong các cơn bão địa từ. Hiện tượng này được gọi là sóng Alfvén - một loại sóng từ thủy động lực, được gọi theo tên của nhà vật lý plasma Hannes Alfvén - gia tốc các electron về phía trái đất, dẫn đến việc các hạt tạo ra màn trình diễn ánh sáng trong bầu khí quyển mà chúng ta vẫn quen thuộc từ hàng trăm năm qua.

Nghiên cứu này xuất bản trên tạp chí Nature Communications "Laboratory measurements of the physics of auroral electron acceleration by Alfvén waves", đã giải quyết một vấn đề tồn tại hàng thập kỷ để chứng minh về mặt thực nghiệm cơ chế vật lý về sự gia tốc các electrons của sóng Alfven trong những điều kiện tương ứng với phản hồi từ quyển cực quang của trái đất 1.

“Các đo đạc tiết lộ tập hợp nhỏ các electron này trải qua “sự gia tốc cộng hưởng” của điện trường của sóng Alfven, tương tự với việc một người lướt sóng bắt được một con sóng và được gia tốc một cách liên tục như những chuyển động dọc theo sóng”, Greg Howes, phó giáo sư Khoa Vật lý và Thiên văn tại Iowa và là đồng tác giả nghiên cứu.

Các nhà nghiên cứu đã biết là các hạt mang điện tích được phát ra từ mặt trời – như các điện tích di chuyển với tốc độ xấp xỉ 45 triệu dặm mỗi giờ - lan truyền theo hướng từ trường của trái đất ở tầng trên của bầu khí quyển, nơi chúng va chạm với các phân tử oxy và nitrogen, đưa chúng vào một trạng thái bị kích thích – trạng thái này được các tia sáng làm dịu đi, tạo ra những sắc thái rực rỡ của bắc cực quang.

Trong thí nghiệm, các nhà vật lý chứng tỏ cơ chế vật lý của sự gia tốc của các điện tích bằng sóng Alfven dưới các điều kiện phản hồi của từ quyển bắc cực quang của trái đất. Nguồn: Austin Montelius.

Lý thuyết này được các nhiệm vụ phóng tàu vũ trụ vào không gian ủng hộ bởi thường xuyên tìm thấy các sóng Alfven lan truyền về phía trái đất, bên trên các bắc cực quang, có lẽ gia tốc các electron theo hướng này. Dẫu các đo đạc không gian ủng hộ lý thuyết này, những giới hạn cố hữu của tàu vũ trụ và đo đạc bằng tên lửa đã ngăn để người ta thực hiện một kiểm tra xác thực.

Các nhà vật lý đã có thể tìm ra bằng chứng xác nhận trong một loạt thực nghiệm ở Thiết bị Plasma lớn (LPD) ở Cơ sở khoa học Plasma cơ bản của UCLA, một cơ sở nghiên cứu hợp tác quốc gia với sự tham gia tài trợ của Bộ Năng lượng Mĩ và Quỹ Khoa học Mỹ.

“Ý tưởng các con sóng có thể truyền năng lượng cho các electron để tạo ra bắc cực quang đã tồn tại sau bốn thập kỷ nhưng đây là lần đầu tiên, chúng tôi đã có thể xác nhận rằng nó phù hợp để giải thích cho hiện tượng này”, Craig Kletzing, giáo sư Khoa vật lý và thiên văn học tại Iowa và là đồng tác giả của nghiên cứu. “Những thực nghiệm đó đưa cho chúng tôi những phép đo đạc chính giúp chứng tỏ các phép đo đạc không gian và lý thuyết đúng, thậm chí giải thích một cách đúng đắn về việc bắc cực quang đã được tạo ra như thế nào”.

Hiện tượng các điện tích ‘lướt sóng’ trên điện trường của một sóng là một quá trình lý thuyết được người ta gọi là sự tắt dần Landau, do nhà vật lý Nga Lev Landau lần đầu đề xuất vào năm 1946. Thông qua các mô phỏng số và mô hình toán học, các nhà nghiên cứu đã chứng minh các kết quả rút ra từ thực nghiệm của họ phù hợp với dấu hiệu dự đoán của sự tắt dần Landau.

Sự phù hợp của thực nghiệm, mô phỏng và mô hinh hóa cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên là các sóng Alfven có thể tạo ra các hạt điện tích được gia tốc, nguyên nhân dẫn đến bắc cực quang, Troy Carter, giáo sư vật lý tại UCLA và giám đốc của Viện nghiên cứu KH&CN Plasma UCLA, nói.

“Thực nghiệm thách thức này đòi hỏi một phép đo đạc một lượng vô cùng nhỏ các hạt điện tích chuyển động xuống buồng LPD tại tốc độ tương tự như khi được sóng Alfven tác động, con số nhỏ hơn một phần nghìn điện tích trong plasma”, ông nói.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-06-physicists-definitive-evidence-auroras.html

https://www.techexplorist.com/definitive-evidence-auroras-formed/39543/#:~:text=Physicists%20led%20by%20the%20University,corresponding%20to%20Earth's%20auroral%20magnetosphere.

----------

1. https://www.nature.com/articles/s41467-021-23377-5

 

Tags: