Fig. 1:Elektromagnetiska joncyklotronvågor genereras av vätejonernas instabilitet och får närliggande heliumjoner att accelerera. Kredit:Nagoya University
Jordens magnetosfär innehåller plasma, en joniserad gas som består av positiva joner och negativa elektroner. Rörelsen hos dessa laddade plasmapartiklar styrs av elektromagnetiska fält. Energiöverföringsprocesserna som sker i denna kollisionsfria rymdplasma tros vara baserade på våg-partikelinteraktioner såsom partikelacceleration av plasmavågor och spontan våggenerering, som möjliggör energi- och momentumöverföring.
Dock, medan samexistensen av vågor med accelererade partiklar i magnetosfären har studerats i många år, den gradvisa karaktären av interaktionerna mellan dem har gjort det svårt att observera dessa processer. Detektering av lokal energiöverföring mellan partiklarna och fälten krävs därför för att möjliggöra kvantitativ bedömning av deras interaktioner.
Forskare från Nagoya Universitys Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE) ingår i ett forskarlag som har utfört ultrasnabba mätningar med hjälp av fyra Magnetospheric Multiscale (MMS) rymdfarkoster för att utvärdera energiöverföringen som inträffade under interaktioner associerade med elektromagnetiska joncyklotronvågor. "Vi observerade att jonfördelningarna inte var symmetriska runt magnetfältets riktning utan var faktiskt i fas med plasmavågsfälten, " konstaterar Nagoya Universitys Masafumi Shoji.
De högtidsupplösningsmätningar som tillhandahålls av MMS-rymdfarkosten kombinerades med sammansättningsupplösta jonmätningar för att demonstrera den samtidiga förekomsten av två energiöverföringar. Den första energiöverföringen var från heta anisotropa vätejoner till en joncyklotronvåg via en cyklotronresonansprocess, medan den andra överföringen var från cyklotronvågen till heliumjoner, som ägde rum via en icke-resonant interaktion och såg den kalla He + joner som accelereras till energier på upp till 2 keV.
Fig. 2:Energiöverföringsprocessen från vätejonerna till heliumjonerna sker via våg-partikelinteraktioner. Kredit:Nagoya University
"Detta representerar direkta kvantitativa bevis på förekomsten av kollisionsfri energiöverföring mellan två distinkta partikelpopulationer via våg-partikelinteraktioner, "säger Yoshizumi Miyoshi från Nagoya Universitys ISEE. "Mätningar av den här typen kommer till och med att ge möjlighet att identifiera de typer av våg-partikelinteraktioner som sker." Teamets resultat publicerades nyligen i Vetenskap .
Förhoppningen är att denna forskning representerar ett stort steg mot en kvantitativ förståelse av våg-partikelinteraktioner och energiöverföring mellan partikelpopulationer i rymdplasma. Detta skulle få konsekvenser för vår förståelse av en mängd olika rymdplasmafenomen, inklusive Van Allens strålningsbälte, geomagnetiska stormar, utfällning av norrskenspartiklar, och atmosfärisk förlust från planeter, såsom förlusten av syrejoner från jordens atmosfär.
