博科園：本文為地球科學類
研究人員利用科學衛星Arase研究了高能電子與地球周圍空間中演化的大合唱波之間波粒相互作用，同時利用地面全球觀測網絡研究了瞬態極光。研究可視化了波粒相互作用區域在亞秒級上的非對稱空間發展。希望通過建立空間電磁環境的危險圖，為安全探索空間作出貢獻。眾所周知，在地球周圍的空間(地球靜止軌道高度以上的空間，稱為地球空間)，存在著被捕獲的帶電粒子範艾倫帶，這些帶電粒子可能會影響商業衛星服務，人們擔心宇航員可能會暴露在這些帶電粒子中，例如在載人登月任務中。已知地球範艾倫帶中的高能電子是由磁層中演化出的電磁波與高能電子共振相互作用而產生，這種現象稱為齊聲波粒相互作用。
博科園-科學科普：大合唱波-粒子相互作用使電子加速到相對論能量，也使高能電子沿地磁場線從磁層沉澱到地球大氣中，從而引起特殊類型的極光。此外，高能電子沿地磁場線沉降到地球大氣中，不僅產生極光，而且改變大氣成分。因此，研究磁氣圈和聲波-粒子相互作用產生的地方，應該為磁氣圈的電磁環境及其對地球大氣層的影響提供線索。50多年來，這一領域一直受到國際社會的關注。然而由於單包合唱波的持續時間不到一秒，而且由於使用有限數量的科學衛星幾乎不可能對巨大的磁層進行研究，因此對磁層空間發展，特別是磁層的空間發展知之甚少。利用研究範艾倫帶和地球空間風暴動力學的科學衛星阿拉斯，研究小組不僅同時捕獲了磁層中的大合唱波包
- （圖1）利用科學衛星Arase和地面觀測網絡PWING進行協調觀測的示意圖。通過科學衛星Arase在磁層中的詳細觀測，以及從地面沿地磁場線觀測極光，可以研究和捕捉波粒相互作用產生區域的空間分佈。圖片：(c) JAXA
還同時捕獲了距阿拉斯3萬公里的大合唱波粒相互作用產生的幾百毫秒瞬間極光。為了同時捕獲相互關聯的極光和聲波粒相互作用，需要在合適的軌道上設置一顆科學衛星，並建立地面觀測網絡，實現與衛星的共軛觀測。研究小組在Arase衛星上開發了世界領先的電磁波測量系統，並建立了PWING(利用地面網絡觀測研究磁層內部粒子和波的動態變化)，沿著幾乎相同的地磁緯度縱向覆蓋整個地球(但主要是在北半球)。研究小組前往各個PWING國際地面基地安裝新的高靈敏度相機和其他儀器。因此，Arase衛星可以捕捉到合唱波的細節，也可以在任何經度和任何時間捕捉到相關的極光(圖1)，這使得同步觀測具有高時間分辨率(10毫秒)。
- （圖2）由科學衛星Arase觀測到的持續數百毫秒的合唱波與美國阿拉斯加Gakona觀測到一道閃光極光的一對一對應。圖片：Kanazawa University
在PWING國際基地之一的阿拉斯加Gakona觀測到沿地磁力線與Arase衛星相連的閃電極光，呈現出數百毫秒級的空間和強度變化，與磁層中的合唱波空間變化相對應(圖2)。這一觀測結果表明，閃電極光可以成為伴隨合唱波的波粒相互作用區域的空間發展顯示。地面捕捉到的極光強度和空間變化使波粒相互作用區域細節可視化，這是科學衛星點觀測所不能捕捉到的。觀測結果首次證實了地磁南北不對稱性。觀測到的變化不僅通過電磁波和電子的有效共振(可觀測到極光強度隨時間的變化)顯示出沿地磁場線的空間演化，而且通過地磁場線(可觀測到極光形態的空間變化)顯示出空間演化。該觀測還表明，高能電子在數百毫秒內迅速沉降到大氣中，這可能導致大氣成分的變化。
- （圖3）強度變化1個像素表示沿地磁力線的時間變化，形態變化表示沿地磁力線的空間變化。圖片：Kanazawa University
本研究報告了以前未知的波粒相互作用區域跨越地磁場線的空間演化。使用科學衛星和地面觀測網絡進行分析。在未來，通過對大量閃光極光的分析，可以揭示更多的一般性質的特徵。然而，用常規的視覺觀測來分析非常大的數據集可能會有困難，因為目前發現，這種顯示波粒相互作用區域空間發展細節的特殊極光持續時間只有幾百毫秒。然而，研究小組使用人工智能(AI)解決了這個問題。利用人工智能技術，應該可以繪製磁層電磁環境的危害圖，這將有助於安全和安全的空間探索。眾所周知，合唱波粒相互作用發生在其他磁化行星上。Mio於2018年發射科學任務，研究水星磁場。它配備了一套由該小組開發的電磁波測量系統。
博科園-科學科普｜研究/來自: 日本金澤大學
參考期刊文獻:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-018-07996-z
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