L'aurora boreale, o aurora boreale, che riempiono il cielo nelle regioni ad alta latitudine hanno affascinato le persone per migliaia di anni. Ma come vengono creati, mentre teorizzato, non era stato definitivamente dimostrato.

In un nuovo studio, un team di fisici guidato dall'Università dell'Iowa riporta prove definitive che le aurore più brillanti sono prodotte da potenti onde elettromagnetiche durante le tempeste geomagnetiche. I fenomeni, note come onde Alfven, accelerare gli elettroni verso la Terra, facendo sì che le particelle producano il familiare spettacolo di luci atmosferiche.

Lo studio, pubblicato online il 7 giugno sulla rivista Comunicazioni sulla natura , conclude una ricerca decennale per dimostrare sperimentalmente i meccanismi fisici per l'accelerazione degli elettroni da parte delle onde Alfven in condizioni corrispondenti alla magnetosfera aurorale terrestre.

"Le misurazioni hanno rivelato che questa piccola popolazione di elettroni subisce un'"accelerazione di risonanza" dal campo elettrico dell'onda di Alfvén, simile a un surfista che prende un'onda e viene continuamente accelerato mentre il surfista si muove insieme all'onda, "dice Greg Howes, professore associato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Iowa e coautore dello studio.

Gli scienziati hanno saputo che le particelle energizzate che emanano dal sole, come gli elettroni che corrono a circa 45 milioni di miglia all'ora, precipitano lungo le linee del campo magnetico terrestre nell'atmosfera superiore, dove si scontrano con molecole di ossigeno e azoto, calciandoli in uno stato eccitato. Queste molecole eccitate si rilassano emettendo luce, producendo le colorate sfumature dell'aurora.

La teoria è stata supportata da missioni spaziali che hanno spesso trovato onde Alfven che viaggiano verso la Terra sopra le aurore, presumibilmente accelerando gli elettroni lungo il percorso. Sebbene le misurazioni basate sullo spazio avessero supportato la teoria, le limitazioni inerenti alle misurazioni dei veicoli spaziali e dei razzi avevano impedito un test definitivo.

I fisici sono stati in grado di trovare prove di conferma in una serie di esperimenti condotti presso il Large Plasma Device (LPD) nel Basic Plasma Science Facility dell'UCLA, una struttura di ricerca collaborativa nazionale supportata congiuntamente dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation.

"L'idea che queste onde possano energizzare gli elettroni che creano l'aurora risale a più di quattro decenni fa, ma questa è la prima volta che possiamo confermare definitivamente che funziona, "dice Craig Kletzing, professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Iowa e coautore dello studio. "Questi esperimenti ci hanno permesso di effettuare le misurazioni chiave che mostrano che le misurazioni dello spazio e la teoria lo fanno, infatti, spiegare un modo importante in cui vengono create le aurore."

Il fenomeno della "navigazione" degli elettroni sul campo elettrico di un'onda è un processo teorico noto come smorzamento di Landau, proposto per la prima volta dal fisico russo Lev Landau nel 1946. Attraverso simulazioni numeriche e modelli matematici, i ricercatori hanno dimostrato che i risultati del loro esperimento concordavano con la firma prevista per lo smorzamento di Landau.

L'accordo di esperimento, simulazione, e la modellazione fornisce la prima prova diretta che le onde di Alfven possono produrre elettroni accelerati, causando l'aurora, dice Troy Carter, professore di fisica all'UCLA e direttore dell'UCLA Plasma Science and Technology Institute.

"Questo impegnativo esperimento ha richiesto una misurazione della piccolissima popolazione di elettroni che si muovevano lungo la camera LPD quasi alla stessa velocità delle onde Alfven, numerando meno di uno su mille degli elettroni nel plasma, " dice Carter.