I ricercatori hanno studiato le interazioni onda-particella tra gli elettroni energetici e le onde corali che si evolvono nello spazio che circonda la Terra utilizzando il satellite scientifico Arase e, contemporaneamente, lampi aurorali transitori dalla rete di osservazione globale a terra. L'indagine ha visualizzato lo sviluppo spaziale asimmetrico delle regioni di interazione onda-particella nell'ordine dei sub-secondi. Si prevede che ciò contribuirà all'esplorazione sicura dello spazio stabilendo mappe di rischio dell'ambiente elettromagnetico spaziale.

È noto che nello spazio che circonda la Terra (lo spazio fino all'altitudine dell'orbita geostazionaria, chiamato Geospazio), ci sono aree di particelle cariche intrappolate chiamate cinture di Van Allen che possono influenzare i servizi satellitari commerciali, e si teme che gli astronauti possano essere esposti a queste particelle cariche, Per esempio, in una missione con equipaggio sulla luna. Gli elettroni ad alta energia nelle fasce di Van Allen della Terra sono noti per essere generati da interazioni risonanti di onde elettromagnetiche che si evolvono nella magnetosfera con elettroni energetici; questo fenomeno è chiamato interazione onda chorus-particella.

Le interazioni onda chorus-particella accelerano gli elettroni alle energie relativistiche e inoltre precipitano gli elettroni energetici dalla magnetosfera nell'atmosfera terrestre lungo le linee del campo geomagnetico per causare tipi speciali di aurore. Inoltre, gli elettroni energetici precipitano nell'atmosfera terrestre lungo le linee del campo geomagnetico, non solo generando aurore ma modificando la composizione atmosferica. Così, indagine sulla magnetosfera, dove vengono generate le interazioni onda chorus-particella, dovrebbe fornire indizi sull'ambiente elettromagnetico nella magnetosfera e sui suoi effetti sull'atmosfera terrestre. Questo campo ha ricevuto l'attenzione internazionale per più di 50 anni. Però, poiché un singolo pacchetto di onde corali dura meno di un secondo, e poiché è quasi impossibile investigare la vasta magnetosfera utilizzando un numero limitato di satelliti scientifici, lo sviluppo spaziale, specialmente, della magnetosfera è stato poco compreso.

Utilizzando il satellite scientifico Arase, che indaga la dinamica delle fasce di Van Allen e le tempeste geospaziali, il team ha catturato simultaneamente non solo i pacchetti di onde corali nella magnetosfera, ma anche lampi aurorali transitori di diverse centinaia di millisecondi circa 30, 000 chilometri di distanza da Arase, generato da interazioni onda-particella chorus. Al fine di catturare simultaneamente le aurore e le interazioni onda-particella del coro, che sono in relazione tra loro, è necessario un satellite scientifico in un'orbita appropriata e una rete di osservazione a terra che realizzi osservazioni coniugate con il satellite.

Il team di ricerca ha sviluppato un sistema di misurazione delle onde elettromagnetiche leader a livello mondiale che si trovava a bordo del satellite Arase, e ha stabilito il PWING (studio della variazione dinamica delle particelle e delle onde nella magnetosfera interna utilizzando osservazioni di rete basate sul suolo) che coprono l'intera Terra (ma principalmente nell'emisfero settentrionale) longitudinalmente lungo quasi la stessa latitudine geomagnetica. Il team di ricerca si è recato in ogni base terrestre internazionale di PWING per installare nuove telecamere ad alta sensibilità e altri strumenti (vedi "Notizie sull'osservazione" nella pagina web di PWING). Così, è stato possibile catturare i dettagli delle onde del coro dal satellite Arase, nonché catturare le relative aurore da qualsiasi longitudine e in qualsiasi momento (Figura 1). Ciò ha consentito osservazioni simultanee con un'elevata risoluzione temporale (10 millisecondi).

Un'aurora lampo osservata a Gakona, Alaska, una delle basi internazionali di PWING, e che è connesso con il satellite Arase lungo la linea del campo geomagnetico, hanno mostrato variazioni spaziali e di intensità dell'ordine di centinaia di millisecondi, che corrispondevano a quelle delle onde chorus nella magnetosfera (Figura 2). Questa osservazione ha rivelato che un'aurora lampo potrebbe diventare un display che mostra gli sviluppi spaziali delle regioni di interazione onda-particella che accompagnano le onde di coro.

L'intensità e i cambiamenti spaziali delle aurore catturate sul terreno hanno visualizzato i dettagli delle regioni di interazione onda-particella, che non poteva essere catturato da osservazioni puntuali utilizzando un satellite scientifico. L'osservazione ha confermato per la prima volta l'asimmetria geomagnetica nord-sud. Le variazioni osservate indicano non solo evoluzioni spaziali lungo le linee del campo geomagnetico per risonanza effettiva di onde elettromagnetiche ed elettroni (osservabili come cambiamenti dipendenti dal tempo dell'intensità aurorale) ma anche evoluzioni attraverso linee di campo geomagnetico (osservabili come cambiamenti spaziali della morfologia aurorale). L'osservazione suggerisce anche una rapida precipitazione, in centinaia di millisecondi, di elettroni energetici nell'atmosfera, che possono provocare cambiamenti della composizione atmosferica.

Il presente studio riporta sviluppi spaziali precedentemente sconosciuti delle regioni di interazione onda-particella attraverso le linee del campo geomagnetico. Presenta analisi utilizzando un satellite scientifico e una rete di osservazione a terra. Nel futuro, più caratteristiche di carattere generale dovrebbero essere rivelate analizzando un gran numero di aurore lampo. Però, potrebbero esserci difficoltà nell'analizzare i set di dati molto grandi mediante l'osservazione visiva convenzionale, poiché ora si trova che tali aurore speciali che mostrano dettagli degli sviluppi spaziali delle regioni di interazione onda-particella hanno una durata di sole centinaia di millisecondi.

Ciò nonostante, il team di ricerca ha risolto questo problema utilizzando l'intelligenza artificiale (AI). Con la tecnologia AI, dovrebbe essere possibile realizzare mappe di pericolosità dell'ambiente elettromagnetico della magnetosfera, che contribuirà a un'esplorazione dello spazio sicura e protetta. È anche noto che le interazioni onda chorus-particella avvengono su altri pianeti magnetizzati. La missione scientifica Mio è stata lanciata nel 2018 per studiare il campo magnetico di Mercurio. È dotato di una copia del sistema di misurazione delle onde elettromagnetiche sviluppato dal team.