研究人员利用科学卫星Arase研究了高能电子与地球周围空间中演化的大合唱波之间波粒相互作用，同时利用地面全球观测网络研究了瞬态极光。研究可视化了波粒相互作用区域在亚秒级上的非对称空间发展。希望通过建立空间电磁环境的危险图，为安全探索空间作出贡献。众所周知，在地球周围的空间(地球静止轨道高度以上的空间，称为地球空间)，存在着被捕获的带电粒子范艾伦带，这些带电粒子可能会影响商业卫星服务，人们担心宇航员可能会暴露在这些带电粒子中，例如在载人登月任务中。已知地球范艾伦带中的高能电子是由磁层中演化出的电磁波与高能电子共振相互作用而产生，这种现象称为齐声波粒相互作用。
博科园-科学科普：大合唱波-粒子相互作用使电子加速到相对论能量，也使高能电子沿地磁场线从磁层沉淀到地球大气中，从而引起特殊类型的极光。此外，高能电子沿地磁场线沉降到地球大气中，不仅产生极光，而且改变大气成分。因此，研究磁气圈和声波-粒子相互作用产生的地方，应该为磁气圈的电磁环境及其对地球大气层的影响提供线索。50多年来，这一领域一直受到国际社会的关注。然而由于单包合唱波的持续时间不到一秒，而且由于使用有限数量的科学卫星几乎不可能对巨大的磁层进行研究，因此对磁层空间发展，特别是磁层的空间发展知之甚少。利用研究范艾伦带和地球空间风暴动力学的科学卫星阿拉斯，研究小组不仅同时捕获了磁层中的大合唱波包
（图1）利用科学卫星Arase和地面观测网络PWING进行协调观测的示意图。通过科学卫星Arase在磁层中的详细观测，以及从地面沿地磁场线观测极光，可以研究和捕捉波粒相互作用产生区域的空间分布。图片：(c) JAXA
还同时捕获了距阿拉斯3万公里的大合唱波粒相互作用产生的几百毫秒瞬间极光。为了同时捕获相互关联的极光和声波粒相互作用，需要在合适的轨道上设置一颗科学卫星，并建立地面观测网络，实现与卫星的共轭观测。研究小组在Arase卫星上开发了世界领先的电磁波测量系统，并建立了PWING(利用地面网络观测研究磁层内部粒子和波的动态变化)，沿着几乎相同的地磁纬度纵向覆盖整个地球(但主要是在北半球)。研究小组前往各个PWING国际地面基地安装新的高灵敏度相机和其他仪器。因此，Arase卫星可以捕捉到合唱波的细节，也可以在任何经度和任何时间捕捉到相关的极光(图1)，这使得同步观测具有高时间分辨率(10毫秒)。
（图2）由科学卫星Arase观测到的持续数百毫秒的合唱波与美国阿拉斯加Gakona观测到一道闪光极光的一对一对应。图片：Kanazawa University
在PWING国际基地之一的阿拉斯加Gakona观测到沿地磁力线与Arase卫星相连的闪电极光，呈现出数百毫秒级的空间和强度变化，与磁层中的合唱波空间变化相对应(图2)。这一观测结果表明，闪电极光可以成为伴随合唱波的波粒相互作用区域的空间发展显示。地面捕捉到的极光强度和空间变化使波粒相互作用区域细节可视化，这是科学卫星点观测所不能捕捉到的。观测结果首次证实了地磁南北不对称性。观测到的变化不仅通过电磁波和电子的有效共振(可观测到极光强度随时间的变化)显示出沿地磁场线的空间演化，而且通过地磁场线(可观测到极光形态的空间变化)显示出空间演化。该观测还表明，高能电子在数百毫秒内迅速沉降到大气中，这可能导致大气成分的变化。
（图3）强度变化1个像素表示沿地磁力线的时间变化，形态变化表示沿地磁力线的空间变化。图片：Kanazawa University
本研究报告了以前未知的波粒相互作用区域跨越地磁场线的空间演化。使用科学卫星和地面观测网络进行分析。在未来，通过对大量闪光极光的分析，可以揭示更多的一般性质的特征。然而，用常规的视觉观测来分析非常大的数据集可能会有困难，因为目前发现，这种显示波粒相互作用区域空间发展细节的特殊极光持续时间只有几百毫秒。然而，研究小组使用人工智能(AI)解决了这个问题。利用人工智能技术，应该可以绘制磁层电磁环境的危害图，这将有助于安全和安全的空间探索。众所周知，合唱波粒相互作用发生在其他磁化行星上。Mio于2018年发射科学任务，研究水星磁场。它配备了一套由该小组开发的电磁波测量系统。
博科园-科学科普｜研究/来自:日本金泽大学
参考期刊文献:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-018-07996-z
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