De magnetosfeer van de aarde bevat plasma, een geïoniseerd gas bestaande uit positieve ionen en negatieve elektronen. De beweging van deze geladen plasmadeeltjes wordt gecontroleerd door elektromagnetische velden. Aangenomen wordt dat de energieoverdrachtsprocessen die plaatsvinden in dit botsingsloze ruimteplasma gebaseerd zijn op golf-deeltjesinteracties zoals deeltjesversnelling door plasmagolven en spontane golfopwekking, die energie- en impulsoverdracht mogelijk maken.

Echter, terwijl het naast elkaar bestaan ​​van golven met versnelde deeltjes in de magnetosfeer al vele jaren wordt bestudeerd, de geleidelijke aard van de interacties tussen hen heeft het observeren van deze processen moeilijk gemaakt. Detectie van lokale energieoverdracht tussen de deeltjes en de velden is daarom vereist om kwantitatieve beoordeling van hun interacties mogelijk te maken.

Onderzoekers van het Institute for Space-Earth Environmental Research (ISEE) van de Nagoya University maken deel uit van een onderzoeksteam dat ultrasnelle metingen heeft uitgevoerd met behulp van vier Magnetospheric Multiscale (MMS) ruimtevaartuigen om de energieoverdracht te evalueren die plaatsvond tijdens interacties die verband houden met elektromagnetische ionencyclotrongolven. "We hebben waargenomen dat de ionenverdelingen niet symmetrisch waren rond de richting van het magnetische veld, maar in feite in fase waren met de plasmagolfvelden, ", zegt Masafumi Shoji van de Nagoya University.

De metingen met hoge tijdresolutie van het MMS-ruimtevaartuig werden gecombineerd met compositie-opgeloste ionenmetingen om het gelijktijdig optreden van twee energieoverdrachten aan te tonen. De eerste energieoverdracht was van hete anisotrope waterstofionen naar een ionencyclotrongolf via een cyclotronresonantieproces, terwijl de tweede overdracht was van de cyclotrongolf naar heliumionen, die plaatsvond via een niet-resonante interactie en zag de koude He ⁺ ionen worden versneld tot energieën tot 2 keV.

"Dit vertegenwoordigt direct kwantitatief bewijs van het optreden van botsingsloze energieoverdracht tussen twee verschillende deeltjespopulaties via golf-deeltjesinteracties, "zegt Yoshizumi Miyoshi van ISEE van de Universiteit van Nagoya. "Metingen van dit type zullen zelfs de mogelijkheid bieden om de soorten golf-deeltjesinteracties te identificeren die plaatsvinden." De bevindingen van het team werden onlangs gepubliceerd in Wetenschap .

Het is te hopen dat dit onderzoek een belangrijke stap vertegenwoordigt in de richting van een kwantitatief begrip van golf-deeltjesinteracties en energieoverdracht tussen deeltjespopulaties in ruimteplasma. Dit zou implicaties hebben voor ons begrip van een grote verscheidenheid aan ruimteplasmafenomenen, inclusief de Van Allen stralingsgordel, geomagnetische stormen, neerslag van poollichtdeeltjes, en atmosferisch verlies van planeten, zoals het verlies van zuurstofionen uit de atmosfeer van de aarde.