由阿拉斯加大學費爾班克斯分校科學家領導的 2021 年實驗結果已開始揭示產生在天空中快速舞動的極光類型的粒子級過程。
動量級能量和動量傳輸實驗 KiNET-X 於 2021 年 5 月 16 日在 9 天發射窗口最後一晚的最後幾分鐘從 NASA 位於弗吉尼亞州的瓦洛普斯飛行設施升空。
UAF 教授 Peter Delamere 對實驗結果的分析發表於 11 月 19 日電漿物理學。
「耀眼的燈光極其複雜，」德拉米爾說。 「那裡發生了很多事情，地球的太空環境中也發生了很多事情，導致了我們所觀察到的現象。
「要理解系統中的因果關係極其困難，因為我們不知道太空中到底發生了什麼，從而產生了我們在極光中觀察到的光，」他說。 “KiNET-X 是一次非常成功的實驗，它將揭示更多極光的秘密。”
美國太空總署最大的探空火箭之一飛越大西洋進入電離層，釋出兩罐鋇鋁熱劑。隨後，這些罐子被引爆，其中一個在高度約 249 英里的地方引爆，另一個在 90 秒後在百慕達附近約 186 英里處的下降軌跡上引爆。由此產生的雲在百慕達地面上由美國宇航局研究飛機進行了監測。
實驗的目的是在微小的尺度上複製一種環境，在這種環境中，太陽風的低能量變成高能量，從而產生快速移動和閃爍的窗簾，稱為離散極光。透過 KiNET-X，Delamere 和參與實驗的同事更接近了解電子如何加速。
「我們產生了帶電的電子，」德拉米爾說。 “我們只是沒有產生足夠的電子來製造極光，但實驗中存在與電子激發相關的基本物理原理。”
實驗的目的是創造阿爾文波，這是一種存在於磁化等離子體中的波，例如太陽外層大氣、地球磁層和太陽係其他地方的磁化等離子體中存在的波。等離子體——一種主要由帶電粒子組成的物質形式——也可以在 KiNET-X 等實驗室和實驗中產生。
當等離子體中的擾動影響磁場時，阿爾文波就會產生。等離子體擾動可以透過多種方式引起，例如透過太陽耀斑突然注入粒子或兩個不同密度的等離子體的相互作用。
KiNET-X 透過將鋇注入遠上層大氣來擾亂周圍的等離子體，從而產生了阿爾文波。
陽光將鋇轉化為電離等離子體。兩個等離子雲相互作用，產生了阿爾芬波。
阿爾芬波立即產生了與地球磁場線平行的電場線。而且，正如理論上所說，電場顯著加速了磁場線上的電子。
德拉米爾說：“它表明，鋇等離子體雲與環境等離子體短暫結合，並將能量和動量傳遞給環境等離子體。”
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這種轉移表現為一小束加速的鋇電子沿著磁場線射向地球。此光束僅在實驗的磁場線數據中可見。
「這類似於極光電子束，」德拉米爾說。
他稱之為實驗的「黃金數據點」。
對德拉米爾資料影像中僅以不同色調的綠色、藍色和黃色像素可見的光束進行分析，可以幫助科學家了解粒子發生了什麼，從而產生了舞動的北極光。
迄今為止的結果顯示了一個成功的項目，甚至可以從其先前的實驗中收集更多資訊。
「這是一個嘗試使用所有數據產品和數值模擬拼湊出整個圖片的問題，」德拉米爾說。
在 UAF 地球物理研究所進行博士研究的三名 UAF 學生也參加了會議。馬修·布蘭丁(Matthew Blandin) 在沃洛普斯飛行設施(Wallops Flight Facility) 提供光學操作支持，凱莉·布蘭寧(Kylee Branning) 在同樣位於弗吉尼亞州蘭利研究中心的NASA 灣流III飛機上操作攝影機，內森·巴恩斯(Nathan Barnes) 在費爾班克斯協助電腦建模。
該實驗還包括來自達特茅斯學院、新罕布夏大學和克萊姆森大學的研究人員和設備。
更多資訊：
PA Delamere 等人，KiNET-X 探空火箭任務中的 Alfvén 波生成與電子賦能，電漿物理學（2024）。DOI：10.1063/5.0228435
閱讀KiNET-X 任務的故事分為 12 個簡短的部分，包括影片、動畫和其他照片。
引文:
2021 年火箭發射的初步結果揭示了極光的誕生（2024 年，12 月 20 日）
