科学家们在了解照亮夜空的耀眼极光方面取得了突破性进展。利用NASA的KiNET-X实验，研究人员通过向电离层释放钡来模拟极光条件，从而产生等离子体云和阿尔弗波。 这些波将能量传递给电子，模仿地球极光背后的条件。 虽然没有产生可见的极光，但该实验提供了有关电子加速和等离子体动力学的关键数据，为产生这些令人惊叹的现象的过程提供了线索。
2024年4月21日周日清晨，北极光点缀着阿拉斯加大学农林试验站的天空。 图片来源：UAF 摄影：Eric Engman
揭开舞动极光的秘密
阿拉斯加大学费尔班克斯分校科学家领导的一项 2021 年实验发表的最新研究成果，为我们提供了有关点亮天空的快速移动极光背后的粒子级过程的新见解。
动能尺度能量和动量传输实验（KiNET-X）于2021年5月16日从美国宇航局位于弗吉尼亚州的沃勒普斯飞行设施发射升空。 这次任务是在为期九天的发射窗口的最后时刻进行的。
美国空军大学教授彼得-德拉米尔（Peter Delamere）对实验结果进行了分析，并在《等离子体物理学》杂志上发表了他的研究成果。
德拉米尔解释说："炫目的灯光极其复杂。"那里发生了很多事情，地球空间环境中也发生了很多事情，这些都导致了我们的观测结果。理解系统中的因果关系极其困难，因为我们不知道太空中究竟发生了什么，导致我们观测到极光的光。"KiNET-X是一次非常成功的实验，它将揭示更多极光的秘密。"
2021年5月16日，一枚携带KiNET-X实验的BlackBrant XII探空火箭从美国宇航局位于弗吉尼亚州的沃勒普斯飞行设施发射升空。 图片来源：特里-扎佩拉奇（Terry Zaperach）拍摄的美国国家航空航天局照片
火箭科学在行动： 钡与电离层
美国国家航空航天局最大的探空火箭之一在大西洋上空翱翔，进入电离层并释放了两罐热敏钡。 然后，这两个罐子被引爆，一个在约 249 英里的高空，另一个在 90 秒后于百慕大附近约 186 英里的下行轨道上被引爆。 百慕大地面和美国国家航空航天局的一架研究飞机对由此产生的云层进行了监测。
该实验的目的是在微小的范围内复制太阳风的低能量变成高能量的环境，在这种环境中，快速移动和闪烁的幕布被称为离散极光。 通过 KiNET-X，德拉梅尔和参与实验的同事们更接近于了解电子是如何加速的。
德拉梅尔说："我们产生了通电电子，只是没有产生足够多的电子来制造极光，但与电子通电相关的基础物理学在实验中是存在的。"
产生阿尔弗文波： 等离子体扰动
该实验的目的是产生阿尔弗文波，这是一种存在于磁化等离子体中的波，如在太阳外层大气、地球磁层和太阳系其他地方发现的等离子体。 等离子体（一种主要由带电粒子组成的物质）也可以在 KiNET-X 等实验室和实验中产生。
当等离子体中的扰动影响磁场时，就会产生阿尔芬波。 等离子体扰动的起因多种多样，例如太阳耀斑突然注入粒子或两个密度不同的等离子体相互作用。
KiNET-X 通过向远高层大气中注入钡来干扰环境等离子体，阳光将钡转化为电离等离子体。 两个等离子体云相互作用，产生了阿尔弗文波。
阿尔弗文波瞬间产生了与行星磁场线平行的电场线。 而且，正如理论上所说的那样，这种电场极大地加速了磁场线上的电子。
德拉梅尔说："这表明钡等离子体云与环境等离子体发生了耦合，并在短暂的瞬间将能量和动量传递给了环境等离子体。"
2021年5月16日，太阳的电离作用将大西洋上空KiNET-X实验的绿色钡云变成了紫色。 资料来源：Don Hampton
这种转移表现为一小束加速的钡电子沿着磁场线向地球飞去。 这束电子只在实验的磁场线数据中可见。
德拉米尔说："这类似于极光电子束。"他称之为实验的"黄金数据点"。在数据图像中，光束只能以深浅不一的绿色、蓝色和黄色像素的形式出现，对光束的分析可以帮助科学家了解粒子是如何产生舞动的北极光的。
迄今为止的结果表明这是一个成功的项目，甚至可以从它的前身实验中收集到更多的信息。这是一个利用所有数据产品和数值模拟拼凑全貌的问题。
编译自/scitechdaily