位于地球表面85至100公里高度的中間層含有一層原子鈉。天文學(xué)家利用激光束在這一層創(chuàng)建人造導(dǎo)星，或激光引導(dǎo)星(LGS)，以提高天文觀測的質(zhì)量。2011年研究人員提出，人工引導(dǎo)星也可以用來測量地球中間層的磁場。

一個國際科學(xué)家小組最近成功地做到了這一點。這項技術(shù)還可以幫助確定固體地球巖石圈中的磁性結(jié)構(gòu)，監(jiān)測太空天氣，測量大氣層中電離層的電流。在過去的20年里天文學(xué)家一直在使用激光來制造人造導(dǎo)星。激光束從地面定向到大氣層。在鈉層，它撞擊鈉原子，鈉原子吸收激光的能量，然后開始發(fā)光。原子向四面八方發(fā)出光。這種人造導(dǎo)星肉眼幾乎看不見，但可以用望遠鏡觀察到。

博科園-科學(xué)科普：為了完成博士論文的工作，這位出生于智利的物理學(xué)家花費了四年的時間來完成這個項目，除了JGU之外，還有歐洲南方天文臺(ESO)、美國加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley)和羅切斯特科學(xué)研究所(Rochester Scientific)、意大利國家天體物理研究所(INAF-OAR)以及加拿大溫哥華的英屬哥倫比亞大學(xué)(University of British Columbia)。人造導(dǎo)星幫助天文學(xué)家糾正在大氣層中傳播的光線的扭曲現(xiàn)象。人造導(dǎo)星發(fā)出的光由望遠鏡收集在地面上，信息被用來實時調(diào)整最先進的可變形的鏡子，補償失真，并允許天文物體被清晰地成像，直到望遠鏡的光學(xué)分辨率，也就是所謂的衍射極限。

鈉原子的進動揭示了磁場的強度：這個合作項目的參與者使用激光引導(dǎo)恒星來測量地球磁場。一個致力于研究和開發(fā)的ESO LGS小組被安置在洛杉磯帕爾瑪?shù)穆蹇恕さ侣逅箍肆_斯天文臺，那里是最西邊的加那利群島。LGS單元的可用性和使用允許執(zhí)行所報告的聯(lián)合實驗，這也旨在提高激光制導(dǎo)太陽的亮度。從天文臺的角度，一束激光束直接指向鈉層，這一層使原子的旋轉(zhuǎn)點與原子的旋轉(zhuǎn)方向一致。由于周圍磁場的影響，極化的原子自旋圍繞著磁場的方向旋轉(zhuǎn)，類似于一個從垂直方向傾斜的陀螺儀的運動，這種現(xiàn)象被稱為拉莫爾進動。

當(dāng)激光器的調(diào)制頻率與鈉的進動頻率一致時，導(dǎo)星就會變得更亮。由于拉莫爾頻率與磁場強度成正比，可以用這種方法來測量鈉層中的地球磁場，探測方案與頻閃鏡相似。因此該小組成功地使用了一種經(jīng)過深入研究的、基礎(chǔ)的實驗室技術(shù)來觀察自然世界。它填補了我們對地球磁場知識的空白，它允許我們對中間層進行地面觀測，而這在以前是很難達到的。到目前為止，磁場只能在地面上直接測量，從飛機，到平流層的氣球，或者從衛(wèi)星。2018年5月美國一個研究小組發(fā)表了類似的發(fā)現(xiàn)。

然而這些最新的測量結(jié)果要精確得多，科學(xué)家們希望通過使用高能激光器來進一步改進它們。還可以利用這項技術(shù)來估計大氣中的原子過程，例如鈉與其他原子(如氧或氮)碰撞的頻率，這是前所未有的。這種人工導(dǎo)星測量技術(shù)在地球物理學(xué)中尤其有用，它將使確定由太陽風(fēng)引起的地球電離層磁場變化成為可能。此外，在上地幔上的洋流和大型磁體的觀測可以通過連續(xù)監(jiān)測地球磁場在85到100公里的高度進行連續(xù)監(jiān)測是可行的。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻:《美國國家科學(xué)院院刊》

研究/來自：美茵茨大學(xué)

DOI: 10.1073/pnas.1013641108

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