Ученые услышали «пение» волн в плазмосфере Земли
Исследователи из NASA записали «звуки» плазменных волн с помощью устройств для измерения параметров электрических и магнитных полей EMFISIS, установленных на двух зондах Ван Аллена — космических аппаратах, предназначенных для изучения радиационных поясов Земли. Датчики EMFISIS фиксировали изменения окружающих зонды электрических и магнитных полей. Впоследствии ученые «сдвинули» частоты записанных электромагнитных волн в воспринимаемый человеком диапазон, предоставив нам возможность услышать «пение» плазменных волн. О результатах исследований сообщается в пресс-релизе на сайте NASA.
Наша планета окружена слоем плотной холодной плазмы, называемым плазмосферой. Нижняя граница плазмосферы находится на расстоянии порядка 1000 километров над поверхностью Земли, а верхняя удалена от Земли на расстояние от трех до семи земных радиусов. Плазмосферу заполняет протон-электронная плазма, которая удерживается магнитным полем планеты и вращается под действием электрического поля коротации — электрического поля, создаваемого вращающимся магнитом (в данном случае Землей).
За пределами плазмосферы начинается область разреженной плазмы. Под действием электрических и магнитных полей составляющие плазму заряженные частицы начинают совершать сложные колебательные движения. Такие колебания заряженных частиц, вызванные распространением электромагнитных волн, получили название плазменных волн. В околоземном пространстве могут распространяться несколько различных типов плазменных волн, причем волны каждого типа звучат по-своему.
«Свистящие» волны могут возникнуть при ударе молнии в землю. Некоторые из рожденных таким образом волн покидают атмосферу и начинают распространяться вдоль линий магнитного поля планеты. Создаваемая молнией волна состоит из множества волн, частоты которых лежат в определенном диапазоне. Причем волны с более высокими частотами распространяются быстрее волн с более низкими частотами. Таким образом возникает характерный «свист», из-за которого волны и получили свое название.
Следует отметить, что в плазмах с разными параметрами волны «свистят» по-разному. При этом они могут распространяться в одном направлении и обладать одинаковыми электромагнитными характеристиками. Однако «пение» волн, распространяющихся в плазмосфере, все равно будет отличаться от звуков, издаваемых волнами, распространяющимися за ее пределами. На представленной выше аудиозаписи можно услышать «свист» именно плазмосферных волн.
За пределами плазмосферы, в пространстве, заполненном разреженной и относительно горячей плазмой, звуки, создаваемые волнами, больше напоминают чириканье стаи птиц, чем свист. По этой причине волны такого типа и были названы «хоровыми» волнами.
Причиной, по которой мы слышим «птичий хор», является взаимодействие электронов с составляющими горячую плазму частицами. Электроны, заброшенные на теневую сторону Земли в результате обрыва или пересоединения линий магнитного поля, обладают относительно низкой энергией. Взаимодействие холодных электронов с частицами плазмы приводит к потере последними энергии и к появлению нарастающего звука «хоровых» волн.
На последней аудиозаписи можно услышать звуки второго типа плазменных волн, распространяющихся в плазмосфере. За сходство с радиопомехами эти волны получили название «плазмосферного шипения». Единого мнения о причинах происхождения «плазмосферного шипения» у ученых пока нет. Некоторые физики полагают, что «шипящие» волны, так же как и «свистящие», могут зарождаться при ударе молнии. Другие считают, что «шипение» возникает при проникновении «хоровых» волн в плазмосферу.
«Хоровые» и «шипящие» волны характерны для значительной части околоземного пространства, в том числе и для радиационных поясов Ван Аллена — кольцевых областей пространства, где частицы солнечного ветра удерживаются магнитным полем планеты.
Зонды Ван Аллена, записавшие «голоса» плазменных волн, предназначены для изучения динамики плазмы в магнитосфере Земли. Эти исследования имеют значение не только с точки зрения расширения знаний о плазменном окружении Земли. Взаимодействия с потоками заряженных частиц могут приводить к нарушениям связи и выходу из строя электронных устройств, находящихся на борту космических аппаратов. Понимание поведения плазмы, заполняющей пространство вокруг нашей планеты, поможет более точно предсказывать «космическую погоду» и избегать этих нежелательных воздействий.
Новый эксперимент в восемь раз превосходит по точности предыдущие измерения
Американские физики уточнили величину сверхтонкого расщепления уровня 2S атома водорода с помощью радиочастотного метода Рамзея. Вычисленная в результате этого комбинация расщеплений 1S и 2S уровней оказалась в хорошем согласии с теоретическими оценками, выполненными в рамках квантовой электродинамики. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Простейший атом, состоящий лишь из протона и электрона — атом водорода — наилучшим образом подходит для точных проверок теории электромагнитного взаимодействия. Для этого физики измеряют интервалы между энергетическими уровнями или иные свойства атома, а затем пытаются воспроизвести их с помощью вычислений. На заре квантовой физики для предсказания спектра атома водорода было достаточно нерелятивистской квантовой механики. Затем ученые научились различать более тонкие эффекты: релятивизм, спин-орбитальное взаимодействие и, наконец, влияние квантовых флуктуаций, известное как лэмбовский сдвиг. Дальнейшее уточнение потребовало учета взаимодействия электронных оболочек со спином ядра (сверхтонкая структура), а также поправок на конечный размер ядра. Последнее, с одной стороны, позволило определить размер протона спектроскопическими методами, но, с другой, стало препятствием к точным тестам квантовой электродинамики, поскольку радиус протона сам по себе стал объектом большой дискуссии. Подробнее об этой проблеме мы рассказывали в материале «Щель в доспехах». Обойти ее могло бы измерение определенных комбинаций частот, в которых вклады от размера ядра уничтожаются. Пример такой комбинации — разность между восьмикратным значением сверхтонкого расщепления уровня 2S1/2 и однократным уровня 1S1/2 атома водорода. Вычислению этой величины посвящена работа Райана Буллиса (Ryan Bullis) и его коллег из университета Колорадо. При измерении указанной комбинации главным источником ошибок остается неопределенность сверхтонкой структуры уровня 2S. Фактически, измерение этого расщепления и было основной задачей физиков. Для этого они использовали метод Рамзея, выполненный в радичастотном диапазоне. Суть эксперимента заключалась в пропускании пучка атомов водорода, предварительно возбужденных двухфотонным поглощением в состояние 2S1/2 (F=0), через сложную катушку, создающую переменное поле с частотой, близкой к 177 мегагерцам. Такое радиочастотное поле стимулирует переходы в сверхтонкий подуровень с F=1 — физики считали атомы в таком состоянии на выходе из катушки с помощью каналового электронного умножителя. Чтобы оставшиеся на F=0 подуровне атомы не влияли на сигнал, авторы переводили их на 2P уровень с помощью дополнительного переменного электрического поля с частотой 910 мегагерц, создаваемого конденсатором. В ходе эксперимента физики слегка меняли частоту колебания магнитного поля и следили за поведением сигнала — количества атомов на F=1 подуровне. Нужный интервал проявил себя в виде резонанса на определенной частоте. После поправок на систематические эффекты значение этой частоты оказалось равным 177 556 838,87(85) герца. Этому значению соответствует величина комбинации, равная 48 959,2(6,8) герца, что хорошо согласуется с теорией — 48 954,1(2,3) герца. Новое значение оказалось в восемь раз точнее, чем предыдущий эксперимент, проведенный оптическими методами, и в 60 раз точнее, чем прошлое измерение с помощью радиочастотных полей. В перспективе авторы планируют еще больше увеличить точность измерения, сделав катушку больше. Не так давно мы рассказывали про измерение сверхтонкого расщепления 2S уровня в мюонии — связанной системе антимюона и электрона.