研究人員利用科學(xué)衛(wèi)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(wǎng)絡(luò)研究了瞬態(tài)極光。研究可視化了波粒相互作用區(qū)域在亞秒級上的非對稱空間發(fā)展。

希望通過建立空間電磁環(huán)境的危險圖，為安全探索空間作出貢獻(xiàn)。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范艾倫帶，這些帶電粒子可能會影響商業(yè)衛(wèi)星服務(wù)，人們擔(dān)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(wù)中。已知地球范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(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為齊聲波粒相互作用。

博科園-科學(xué)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淀到地球大氣中，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(chǎn)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(chǎn)生的地方，應(yīng)該為磁氣圈的電磁環(huán)境及其對地球大氣層的影響提供線索。50多年來，這一領(lǐng)域一直受到國際社會的關(guān)注。然而由于單包合唱波的持續(xù)時間不到一秒，而且由于使用有限數(shù)量的科學(xué)衛(wèi)星幾乎不可能對巨大的磁層進(jìn)行研究，因此對磁層空間發(fā)展，特別是磁層的空間發(fā)展知之甚少。利用研究范艾倫帶和地球空間風(fēng)暴動力學(xué)的科學(xué)衛(wèi)星阿拉斯，研究小組不僅同時捕獲了磁層中的大合唱波包

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(chǎn)生的幾百毫秒瞬間極光。為了同時捕獲相互關(guān)聯(lián)的極光和聲波粒相互作用，需要在合適的軌道上設(shè)置一顆科學(xué)衛(wèi)星，并建立地面觀測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與衛(wèi)星的共軛觀測。研究小組在Arase衛(wèi)星上開發(fā)了世界領(lǐng)先的電磁波測量系統(tǒng)，并建立了PWING(利用地面網(wǎng)絡(luò)觀測研究磁層內(nèi)部粒子和波的動態(tài)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(jī)和其他儀器。因此，Arase衛(wèi)星可以捕捉到合唱波的細(xì)節(jié)，也可以在任何經(jīng)度和任何時間捕捉到相關(guān)的極光(圖1)，這使得同步觀測具有高時間分辨率(10毫秒)。

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(wèi)星相連的閃電極光，呈現(xiàn)出數(shù)百毫秒級的空間和強(qiáng)度變化，與磁層中的合唱波空間變化相對應(yīng)(圖2)。這一觀測結(jié)果表明，閃電極光可以成為伴隨合唱波的波粒相互作用區(qū)域的空間發(fā)展顯示。地面捕捉到的極光強(qiáng)度和空間變化使波粒相互作用區(qū)域細(xì)節(jié)可視化，這是科學(xué)衛(wèi)星點(diǎn)觀測所不能捕捉到的。觀測結(jié)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(qiáng)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(tài)的空間變化)顯示出空間演化。該觀測還表明，高能電子在數(shù)百毫秒內(nèi)迅速沉降到大氣中，這可能導(dǎo)致大氣成分的變化。

本研究報告了以前未知的波粒相互作用區(qū)域跨越地磁場線的空間演化。使用科學(xué)衛(wèi)星和地面觀測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(zhì)的特征。然而，用常規(guī)的視覺觀測來分析非常大的數(shù)據(jù)集可能會有困難，因為目前發(fā)現(xiàn)，這種顯示波粒相互作用區(qū)域空間發(fā)展細(xì)節(jié)的特殊極光持續(xù)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(shù)，應(yīng)該可以繪制磁層電磁環(huán)境的危害圖，這將有助于安全和安全的空間探索。眾所周知，合唱波粒相互作用發(fā)生在其他磁化行星上。Mio于2018年發(fā)射科學(xué)任務(wù)，研究水星磁場。它配備了一套由該小組開發(fā)的電磁波測量系統(tǒng)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?日本金澤大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-018-07996-z

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