Visualisering af områder med elektromagnetiske bølge-plasma-interaktioner, der omgiver Jorden

Forskere har undersøgt bølge-partikelinteraktioner mellem energiske elektroner og korbølger, der udvikler sig i rummet omkring Jorden ved hjælp af den videnskabelige satellit Arase og, samtidigt, forbigående aurorale blink fra det jordbaserede globale observationsnetværk. Undersøgelsen visualiserede asymmetrisk rumlig udvikling af bølge-partikelinteraktionsregioner i størrelsesordenen sub-sekunder. Dette forventes at bidrage til en sikker og sikker udforskning af rummet ved at etablere farekort over det elektromagnetiske rum i rummet.

Det vides, at i rummet omkring Jorden (rummet op til den geostationære banehøjde, kaldet Geospace), der er områder med fangede ladede partikler kaldet Van Allen -seler, der kan påvirke kommercielle satellittjenester, og der er bekymring for, at astronauter kan blive udsat for disse ladede partikler, for eksempel, i en bemandet mission til månen. Det er kendt, at elektronerne med høj energi i Jordens Van Allen-bælter genereres af resonante interaktioner mellem elektromagnetiske korbølger, der udvikler sig i magnetosfæren med energiske elektroner; dette fænomen kaldes en korbølge-partikelinteraktion.

Korbølge-partikelinteraktioner fremskynder elektroner til relativistiske energier og udfælder også energiske elektroner fra magnetosfæren ind i Jordens atmosfære langs geomagnetiske feltlinjer for at forårsage særlige typer auroras. Ud over, energiske elektroner udfældes i jordens atmosfære langs geomagnetiske feltlinjer, ikke kun at skabe auraer, men ændre den atmosfæriske sammensætning. Dermed, undersøgelse af magnetosfæren, hvor chorusbølge-partikelinteraktionerne genereres, skulle give fingerpeg om det elektromagnetiske miljø i magnetosfæren og dens virkninger på Jordens atmosfære. Dette felt har modtaget international opmærksomhed i mere end 50 år. Imidlertid, da en enkelt pakke med korbølger varer i mindre end et sekund, og da det er næsten umuligt at undersøge den enorme magnetosfære ved hjælp af et begrænset antal videnskabelige satellitter, den rumlige udvikling, især, af magnetosfæren er blevet dårligt forstået.

Ved hjælp af den videnskabelige satellit Arase, som undersøger dynamikken i Van Allen -seler samt geospace -storme, holdet fangede samtidig ikke kun korbølgepakker i magnetosfæren, men også forbigående aurorale blink på flere hundrede millisekunder omkring 30, 000 kilometer langt fra Arase, genereret af korbølge-partikelinteraktioner. For samtidig at fange aurorae og korbølge-partikelinteraktioner, som er relateret til hinanden, en videnskabelig satellit er påkrævet i en passende bane samt et observationsnetværk på jorden, der realiserer konjugerede observationer med satellitten.

Forskerteamet udviklede et verdensledende elektromagnetisk bølgemålingssystem, der var ombord på Arase-satellitten, og etableret PWING (undersøgelse af dynamisk variation af partikler og bølger i den indre magnetosfære ved hjælp af jordbaserede netværksobservationer), der dækker hele Jorden (men hovedsageligt på den nordlige halvkugle) i længderetningen langs næsten samme geomagnetiske breddegrad. Forskergruppen rejste til hver PWING international grundbase for at installere nye højfølsomme kameraer og andre instrumenter (se "Observationsnyheder" på PWING-websiden). Dermed, det var muligt at fange detaljer om korbølger ved Arase -satellitten samt at fange relaterede auroraer fra enhver længdegrad og til enhver tid (figur 1). Dette muliggjorde samtidige observationer med høj tidsopløsning (10 millisekunder).

En flash -aurora observeret ved Gakona, Alaska, en af ​​de PWING internationale baser, og som er forbundet med Arase -satellitten langs den geomagnetiske feltlinje, viste rumlige og intensitetsvariationer i størrelsesordenen hundredvis af millisekunder, som svarede til korbølger i magnetosfæren (figur 2). Denne observation afslørede, at en flash-aurora kunne blive et display, der viser rumlige udviklinger af bølge-partikel interaktionsområder, der ledsager korbølger.

Intensitet og rumlige ændringer af auroraer fanget på jorden har visualiseret detaljer om bølge-partikel interaktionsområder, som ikke kunne fanges ved punktobservationer ved hjælp af en videnskabelig satellit. Observationen har bekræftet den geomagnetiske nord-syd asymmetri for første gang. De observerede variationer angiver ikke kun rumlige udviklinger langs geomagnetiske feltlinjer ved effektiv resonans af elektromagnetiske bølger og elektroner (observerbar som tidsafhængige ændringer i auroral intensitet), men også udviklinger på tværs af geomagnetiske feltlinjer (observerbare som rumlige ændringer af auroral morfologi). Observationen tyder også på hurtig nedbør, i hundredvis af millisekunder, af energiske elektroner ind i atmosfæren, som kan medføre ændringer i den atmosfæriske sammensætning.

Den foreliggende undersøgelse rapporterer tidligere ukendte rumlige udviklinger af bølge-partikelinteraktionsregioner på tværs af geomagnetiske feltlinjer. Det præsenterer analyser ved hjælp af en videnskabelig satellit og et jordobservationsnetværk. I fremtiden, flere karakteristika af generel karakter bør afsløres ved at analysere et stort antal flash -auraer. Imidlertid, der kan være vanskeligheder ved at analysere de meget store datasæt ved konventionel visuel observation, da det nu er konstateret, at sådanne særlige auroraer, der viser detaljer om rumlige udviklinger i bølge-partikelinteraktionsregioner, har en varighed på kun hundredvis af millisekunder.

Ikke desto mindre, forskergruppen løste dette problem ved hjælp af kunstig intelligens (AI). Med AI -teknologi, det bør være muligt at lave farekort over magnetosfærens elektromagnetiske miljø, som vil bidrage til sikker og sikker udforskning af rummet. Det er også kendt, at interaktioner af korbølge-partikel finder sted på andre magnetiserede planeter. Den videnskabelige mission Mio blev lanceret i 2018 for at undersøge kviksølvets magnetfelt. Den er udstyret med en kopi af det elektromagnetiske bølgemålingssystem, der er udviklet af teamet.