A aurora boreal, ou aurora boreal, que preenchem o céu em regiões de alta latitude fascinam as pessoas há milhares de anos. Mas como eles são criados, enquanto teorizado, não tinha sido provado de forma conclusiva.

Em um novo estudo, uma equipe de físicos liderada pela Universidade de Iowa relata evidências definitivas de que as auroras mais brilhantes são produzidas por poderosas ondas eletromagnéticas durante tempestades geomagnéticas. Os fenômenos, conhecidas como ondas Alfven, acelerar elétrons em direção à Terra, fazendo com que as partículas produzam o familiar show de luz atmosférica.

O estudo, publicado online em 7 de junho na revista Nature Communications , conclui uma busca de décadas para demonstrar experimentalmente os mecanismos físicos para a aceleração dos elétrons pelas ondas Alfven sob condições correspondentes à magnetosfera auroral da Terra.

"As medições revelaram que esta pequena população de elétrons sofre 'aceleração ressonante' pelo campo elétrico da onda de Alfven, semelhante a um surfista pegando uma onda e sendo continuamente acelerado conforme o surfista se move junto com a onda, "diz Greg Howes, professor associado do Departamento de Física e Astronomia de Iowa e co-autor do estudo.

Os cientistas sabem que as partículas energizadas que emanam do sol - como elétrons correndo a aproximadamente 45 milhões de milhas por hora - precipitam ao longo das linhas do campo magnético da Terra na atmosfera superior, onde eles colidem com moléculas de oxigênio e nitrogênio, chutando-os em um estado de excitação. Essas moléculas excitadas relaxam emitindo luz, produzindo os matizes coloridos da aurora.

A teoria foi apoiada por missões de espaçonaves que frequentemente encontraram ondas Alfven viajando em direção à Terra acima das auroras, presumivelmente acelerando elétrons ao longo do caminho. Embora as medições baseadas no espaço tenham apoiado a teoria, limitações inerentes às medições de espaçonaves e foguetes impediram um teste definitivo.

Os físicos foram capazes de encontrar evidências confirmatórias em uma série de experimentos conduzidos no Large Plasma Device (LPD) no Basic Plasma Science Facility da UCLA, uma instalação de pesquisa colaborativa nacional apoiada em conjunto pelo Departamento de Energia dos EUA e a Fundação Nacional de Ciência.

"A ideia de que essas ondas podem energizar os elétrons que criam a aurora remonta a mais de quatro décadas, mas esta é a primeira vez que conseguimos confirmar definitivamente que funciona, "diz Craig Kletzing, professor do Departamento de Física e Astronomia de Iowa e co-autor do estudo. "Esses experimentos nos permitem fazer as principais medições que mostram que as medições e a teoria do espaço fazem, na verdade, explicar a principal maneira pela qual as auroras são criadas. "

O fenômeno dos elétrons "surfando" no campo elétrico de uma onda é um processo teórico conhecido como amortecimento de Landau, proposto pela primeira vez pelo físico russo Lev Landau em 1946. Por meio de simulações numéricas e modelagem matemática, os pesquisadores demonstraram que os resultados de seu experimento estavam de acordo com a assinatura prevista para o amortecimento de Landau.

A concordância do experimento, simulação, e a modelagem fornece a primeira evidência direta de que as ondas Alfven podem produzir elétrons acelerados, causando a aurora, disse Troy Carter, professor de física da UCLA e diretor do UCLA Plasma Science and Technology Institute.

"Este experimento desafiador exigiu uma medição da população muito pequena de elétrons movendo-se pela câmara LPD quase à mesma velocidade das ondas Alfven, numerando menos de um em mil dos elétrons no plasma, "Carter diz.