Визуализация областей электромагнитных волн и плазмы, окружающих Землю
Исследователи исследовали взаимодействие между волнами и частицами между энергичными электронами и хоровыми волнами, развивающимися в пространстве, окружающем Землю, с использованием научного спутника Arase и, одновременно, кратковременных вспышек сияний наземной глобальной сетью наблюдения. Исследование визуализировало асимметричное пространственное развитие областей взаимодействия волн с частицами на уровне порядка секунд. Ожидается, что это будет способствовать безопасному и надежному освоению космоса путем составления карт опасностей космической электромагнитной среды.
Известно, что в пространстве, окружающем Землю (пространство до высоты геостационарной орбиты, называемое Geospace), существуют области захваченных заряженных частиц, называемые поясами Ван Аллена, которые могут влиять на коммерческие спутниковые службы, и есть опасения, что астронавты могут быть подвергается воздействию этих заряженных частиц, например, в пилотируемой миссии на Луну. Известно, что высокоэнергетические электроны в земных поясах Ван Аллена Земли генерируются резонансными взаимодействиями электромагнитных хоровых волн, возникающих в магнитосфере с энергичными электронами ; это явление называется взаимодействием хоровой волны и частиц.
Взаимодействия хоровой волны с частицами ускоряют электроны до релятивистских энергий, а также выделяют энергичные электроны из магнитосферы в атмосферу Земли вдоль линий геомагнитного поля, вызывая особые типы сияний. Кроме того, энергичные электроны осаждаются в атмосфере Земли вдоль линий геомагнитного поля, не только генерируя полярные сияния, но и изменяя состав атмосферы. Таким образом, исследование магнитосферы, где генерируются хорово-волновые взаимодействия, должно дать представление об электромагнитной среде в магнитосфере и ее влиянии на атмосферу Земли. Эта область получила международное внимание на протяжении более 50 лет. Тем не менее, поскольку один пакет хоровых волн длится менее секунды.
Используя научный спутник Arase, который исследует динамику поясов Ван Аллена, а также геопространственные бури, команда одновременно зафиксировала не только пакеты хоровых волн в магнитосфере, но и временные вспышки сияний в нескольких сотнях миллисекунд на расстоянии около 30 000 километров от Arase, генерируемые хорово-волновое взаимодействие. Для одновременного захвата взаимодействий волн и частиц сияний и хора, которые связаны друг с другом, необходим научный спутник на соответствующей орбите, а также сеть наблюдений на земле, которая осуществляет сопряженные наблюдения со спутником.
Исследовательская группа разработала ведущую в мире систему измерения электромагнитных волн, которая находилась на борту спутника Arase, и создала PWING (исследование динамического изменения частиц и волн во внутренней магнитосфере с использованием наземных сетевых наблюдений), охватывающую всю Землю (но главным образом в северное полушарие) продольно вдоль почти той же геомагнитной широты. Исследовательская группа посетила каждую международную наземную базу PWING, чтобы установить новые высокочувствительные камеры и другие приборы (см. «Новости наблюдений» на веб-странице PWING)., Таким образом, с помощью спутника Arase можно было снимать детали волн хоруса, а также снимать связанные полярные сияния с любой долготы и в любое время (рис. 1). Это позволило проводить одновременные наблюдения с высоким временным разрешением (10 миллисекунд).
Вспышка полярных сияний, наблюдавшаяся на Гаконе, Аляска, одной из международных баз PWING, которая связана со спутником Arase вдоль линии геомагнитного поля, показала пространственные и интенсивные изменения порядка сотен миллисекунд, которые соответствовали колебаниям хоровых волн. в магнитосфере (рисунок 2). Это наблюдение показало, что вспышка сияния может стать дисплеем, показывающим пространственное развитие областей взаимодействия волны с частицами, сопровождающих волны хора .
Интенсивность и пространственные изменения сияний, захваченных на земле, визуализировали детали областей взаимодействия волны с частицами, которые не могли быть зафиксированы точечными наблюдениями с использованием научного спутника. Наблюдение впервые подтвердило геомагнитную асимметрию север-юг. Наблюдаемые изменения указывают не только на пространственные эволюции вдоль линий геомагнитного поля за счет эффективного резонанса электромагнитных волн и электронов (наблюдаемые как зависящие от времени изменения интенсивности полярных сияний), но также на эволюции поперек линий геомагнитного поля (наблюдаемые как пространственные изменения морфологии сияний). Наблюдение также предполагает быстрое выпадение в атмосферу сотен миллисекунд энергичных электронов, что может привести к изменениям состава атмосферы.
В настоящем исследовании сообщается о ранее неизвестных пространственных изменениях областей взаимодействия волн и частиц через линии геомагнитного поля. Он представляет анализы с использованием научного спутника и наземной сети наблюдения. В будущем следует выявить больше характеристик общего характера путем анализа большого количества вспышек сияний. Однако могут возникнуть трудности при анализе очень больших наборов данных с помощью обычного визуального наблюдения, поскольку в настоящее время обнаружено, что такие особые полярные сияния, показывающие детали пространственного развития областей взаимодействия волна-частица, имеют продолжительность всего лишь сотни миллисекунд.
Тем не менее, исследовательская группа решила эту проблему с помощью искусственного интеллекта (ИИ). С помощью технологии ИИ должна быть возможность составлять карты опасностей электромагнитной среды магнитосферы, которые будут способствовать безопасному и надежному освоению космоса. Также известно, что хоровые волны-частицы имеют место на других намагниченных планетах. Научная миссия Mio была начата в 2018 году для изучения магнитного поля Меркурия. Он оснащен копией системы измерения электромагнитных волн, разработанной командой.
