Магнитосфера Земли содержит плазму, ионизированный газ, состоящий из положительных ионов и отрицательных электронов. Движение этих заряженных частиц плазмы контролируется электромагнитными полями. Считается, что процессы переноса энергии, которые происходят в этой бесстолкновительной космической плазме, основаны на взаимодействиях волна-частица, таких как ускорение частиц плазменными волнами и генерация спонтанных волн, которые обеспечивают передачу энергии и импульса..
Однако, хотя сосуществование волн с ускоренными частицами в магнитосфере изучается уже много лет, постепенный характер взаимодействий между ними затрудняет наблюдение за этими процессами. Поэтому необходимо обнаружение локального переноса энергии между частицами и полями для количественной оценки их взаимодействий.
Исследователи из Института космических и земных исследований окружающей среды Нагойского университета (ISEE) являются частью исследовательской группы, которая провела сверхбыстрые измерения с использованием четырех космических аппаратов Magnetospher Multiscale (MMS) для оценки передачи энергии, которая происходила во время взаимодействий, связанных с электромагнитным полем. ионные циклотронные волны. «Мы заметили, что распределение ионов не было симметричным относительно направления магнитного поля, а фактически находилось в фазе с полями плазменных волн», - говорит Масафуми Сёдзи из Нагойского университета.
Измерения с высоким временным разрешением, полученные космическим аппаратом MMS, были объединены с измерениями ионов с разрешением по составу, чтобы продемонстрировать одновременное возникновение двух передач энергии. Первый перенос энергии был от горячих анизотропных ионов водорода к ионной циклотронной волне посредством процесса циклотронного резонанса, тогда как второй перенос был от циклотронной волны к ионам гелия, который происходил через нерезонансное взаимодействие и видел ускорение холодных ионов He+ до энергии до 2 кэВ.
«Это представляет собой прямое количественное доказательство возникновения бесстолкновительного переноса энергии между двумя различными популяциями частиц посредством взаимодействия волна-частица», - говорит Йошизуми Миёси из ISEE Университета Нагоя. «Измерения этого типа даже дадут возможность идентифицировать типы взаимодействий волны и частицы, которые происходят». Выводы команды были недавно опубликованы в журнале Science.
Есть надежда, что это исследование представляет собой важный шаг на пути к количественному пониманию взаимодействия волна-частица и передачи энергии между популяциями частиц в космической плазме. Это будет иметь последствия для нашего понимания широкого спектра явлений космической плазмы, включая радиационный пояс Ван Аллена, геомагнитные бури, авроральные осадки частиц и атмосферные потери планет, такие как потеря ионов кислорода из атмосферы Земли.