Bølge-partikel-interaktioner muliggør kollisionsfri energioverførsel i rumplasma

Jordens magnetosfære indeholder plasma, en ioniseret gas sammensat af positive ioner og negative elektroner. Bevægelsen af ​​disse ladede plasmapartikler styres af elektromagnetiske felter. Energioverførselsprocesserne, der forekommer i dette kollisionsfri rumplasma, menes at være baseret på bølge-partikel-interaktioner såsom partikelacceleration ved plasmabølger og spontan bølgegenerering, som muliggør overførsel af energi og momentum.

Imidlertid, mens sameksistensen af ​​bølger med accelererede partikler i magnetosfæren er blevet undersøgt i mange år, den gradvise karakter af interaktionerne mellem dem har gjort observation af disse processer vanskelig. Detektion af lokal energioverførsel mellem partiklerne og felterne er derfor påkrævet for at muliggøre kvantitativ vurdering af deres interaktioner.

Forskere fra Nagoya University's Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE) er en del af et forskerhold, der har udført ultrahurtige målinger ved hjælp af fire Magnetospheric Multiscale (MMS) rumfartøjer til at evaluere den energioverførsel, der fandt sted under interaktioner forbundet med elektromagnetiske ioncyklotronbølger. "Vi observerede, at ionfordelingerne ikke var symmetriske omkring magnetfeltretningen, men faktisk var i fase med plasmabølgefelterne, " fastslår Nagoya Universitys Masafumi Shoji.

De højtidsopløsningsmålinger leveret af MMS-rumfartøjet blev kombineret med sammensætningsopløste ionmålinger for at demonstrere den samtidige forekomst af to energioverførsler. Den første energioverførsel var fra varme anisotrope hydrogenioner til en ioncyklotronbølge via en cyklotronresonansproces, mens den anden overførsel var fra cyklotronbølgen til heliumioner, som fandt sted via en ikke-resonant interaktion og så den kolde He ⁺ ioner bliver accelereret til energier på op til 2 keV.

"Dette repræsenterer direkte kvantitative beviser for forekomsten af ​​kollisionsfri energioverførsel mellem to adskilte partikelpopulationer via bølge-partikel-interaktioner, "siger Yoshizumi Miyoshi fra Nagoya University's ISEE. "Målinger af denne type vil endda give mulighed for at identificere de typer bølge-partikel-interaktioner, der forekommer." Holdets resultater blev for nylig offentliggjort i Videnskab .

Det er håbet, at denne forskning repræsenterer et stort skridt hen imod en kvantitativ forståelse af bølge-partikel-interaktioner og energioverførsel mellem partikelpopulationer i rumplasma. Dette ville have implikationer for vores forståelse af en bred vifte af rumplasma-fænomener, inklusive Van Allen strålingsbælte, geomagnetiske storme, auroral partikeludfældning, og atmosfærisk tab fra planeter, såsom tab af iltioner fra Jordens atmosfære.