Forskare har undersökt våg-partikelinteraktioner mellan energiska elektroner och körvågor som utvecklas i rymden som omger jorden med hjälp av den vetenskapliga satelliten Arase och, samtidigt, övergående aurorala blixtar av det markbaserade globala observationsnätverket. Undersökningen visualiserade asymmetrisk rumslig utveckling av våg-partikelinteraktionsregioner i storleksordningen sekundersekunder. Detta förväntas bidra till en säker och säker utforskning av rymden genom att upprätta farokartor över den elektromagnetiska rymden i rymden.

Det är känt att i rymden som omger jorden (rymden upp till den geostationära omloppshöjden, kallas Geospace), det finns områden med fångade laddade partiklar som kallas Van Allen -remmar som kan påverka kommersiella satellittjänster, och det finns oro för att astronauter kan utsättas för dessa laddade partiklar, till exempel, i ett bemannat uppdrag till månen. Elektronerna med hög energi i jordens Van Allen-band är kända för att genereras av resonanta interaktioner mellan elektromagnetiska refrängvågor som utvecklas i magnetosfären med energiska elektroner; detta fenomen kallas en korvåg-partikelinteraktion.

Kören våg-partikelinteraktioner accelererar elektroner till relativistiska energier och fäller också ut energiska elektroner från magnetosfären in i jordens atmosfär längs geomagnetiska fältlinjer för att orsaka speciella typer av auroror. Dessutom, energiska elektroner fälls ut i jordens atmosfär längs geomagnetiska fältlinjer, genererar inte bara norrsken utan förändrar atmosfärens sammansättning. Således, undersökning av magnetosfären, där växelverkan mellan korvåg och partikel genereras, bör ge ledtrådar till den elektromagnetiska miljön i magnetosfären och dess effekter på jordens atmosfär. Detta område har fått internationell uppmärksamhet i mer än 50 år. Dock, eftersom ett enda paket med refrängvågor varar i mindre än en sekund, och eftersom det är nästan omöjligt att undersöka den stora magnetosfären med hjälp av ett begränsat antal vetenskapliga satelliter, den rumsliga utvecklingen, framförallt, av magnetosfären har varit dåligt förstått.

Med hjälp av den vetenskapliga satelliten Arase, som undersöker dynamiken i Van Allen -bälten samt geospace stormar, laget fångade samtidigt inte bara körvågspaket i magnetosfären, men också övergående aurorala blixtar på flera hundra millisekunder cirka 30, 000 kilometer från Arase, genereras av körvåg-partikelinteraktioner. För att samtidigt fånga aurorae och refrängvåg-partikelinteraktioner, som är släkt med varandra, en vetenskaplig satellit krävs i en lämplig bana samt ett observationsnätverk på marken som realiserar konjugerade observationer med satelliten.

Forskargruppen utvecklade ett världsledande elektromagnetiskt vågmätningssystem som fanns ombord på Arase-satelliten, och etablerade PWING (studie av dynamisk variation av partiklar och vågor i den inre magnetosfären med hjälp av markbaserade nätverksobservationer) som täcker hela jorden (men främst på norra halvklotet) längs längs nästan samma geomagnetiska latitud. Forskargruppen reste till varje internationell PWING-bas för att installera nya högkänsliga kameror och andra instrument (se "Observationsnyheter" på PWING-webbsidan). Således, det var möjligt att fånga detaljer om refrängvågor med Arase -satelliten samt att fånga relaterade norrsken från valfri längdgrad och när som helst (figur 1). Detta möjliggjorde samtidiga observationer med hög tidsupplösning (10 millisekunder).

En blixtururor observerad vid Gakona, Alaska, en av de internationella baserna i PWING, och som är ansluten till Arase -satelliten längs den geomagnetiska fältlinjen, visade rums- och intensitetsvariationer i storleksordningen hundratals millisekunder, som motsvarade de för korvågor i magnetosfären (Figur 2). Denna observation avslöjade att en blixt norrsken kan bli en skärm som visar rumslig utveckling av våg-partikelinteraktionsregioner som åtföljer körvågor.

Intensitet och rumsliga förändringar av norrsken fångade på marken har visualiserat detaljer om våg-partikelinteraktionsregioner, som inte kunde fångas med punktobservationer med hjälp av en vetenskaplig satellit. Observationen har bekräftat den geomagnetiska nord-sydasymmetrin för första gången. De observerade variationerna indikerar inte bara rumsliga evolutioner längs geomagnetiska fältlinjer genom effektiv resonans av elektromagnetiska vågor och elektroner (kan observeras som tidsberoende förändringar av norrskens intensitet) utan även evolutioner över geomagnetiska fältlinjer (observeras som rumsliga förändringar av norrskens morfologi). Observationen tyder också på snabb nederbörd, i hundratals millisekunder, av energiska elektroner i atmosfären, vilket kan medföra förändringar av den atmosfäriska sammansättningen.

Föreliggande studie rapporterar tidigare okänd rumslig utveckling av våg-partikelinteraktionsregioner över geomagnetiska fältlinjer. Den presenterar analyser med hjälp av en vetenskaplig satellit och ett markobservationsnätverk. I framtiden, fler egenskaper av allmän karaktär bör avslöjas genom att analysera ett stort antal blixturoror. Dock, det kan finnas svårigheter att analysera de mycket stora datamängderna genom konventionell visuell observation, eftersom man nu har funnit att sådana speciella norrsken som visar detaljer om den rumsliga utvecklingen av våg-partikelinteraktionsregioner har en varaktighet på endast hundratals millisekunder.

Ändå, forskargruppen löste detta problem med artificiell intelligens (AI). Med AI -teknik, det borde vara möjligt att göra farokartor över magnetosfärens elektromagnetiska miljö, vilket kommer att bidra till en säker och säker utforskning av rymden. Det är också känt att korvåg-partikelinteraktioner äger rum på andra magnetiserade planeter. Det vetenskapliga uppdraget Mio lanserades 2018 för att studera kvicksilverens magnetfält. Den är utrustad med en kopia av det elektromagnetiska vågmätningssystem som utvecklats av teamet.