科學家們利用NASA資助的CubeSat發現了一個新的超快、高能電子雨源，它可能對空間基礎設施和大氣模型產生影響。來自加州大學洛杉磯分校(UCLA)的科學家們利用Electron Losses and Fields Investigation(ELFIN)任務從低地球軌道上觀察到這種被稱為“電子降水”的雨。
ELFIN是一對被稱為CubeSats的小型立方體形狀的衛星。它是由加州大學洛杉磯分校的本科生和研究生在工作人員導師的指導下建造和運行的。
結合ELFIN的數據及NASA的Substorms期間事件和宏觀互動的時間歷史或THEMIS航天器的更遠距離觀測，科學家們確定電子雨是由哨聲波引起的，這是一種在太空中的等離子體中蕩漾的電磁波。他們的結果發表在《Nature Communications》上，該研究發現了比以往領先的理論預測的電子降水更多。
“ELFIN是第一顆測量這些超高速電子的衛星，”新論文的論文第一作者、加州大學洛杉磯分校地球、行星和空間科學系(EPSS)的研究員Xiaojia Zhang說道，“由於其獨特的有利位置，這項任務正在產生新的見解。”
近地空間環境是高度動態的並充滿了帶電粒子，它們在行星周圍的巨大環中運行，稱為范艾倫輻射帶。類似於一個在兩隻手之間來回彈跳的捲曲的滑輪，輻射帶中的電子在地球的南北磁極之間螺旋式地移動。在某些條件下，輻射帶中會出現被稱為哨子波的電磁振動，使電子的能量和速度大大增加，進而使其於流失到大氣中並形成電子雨。
結合THEMIS對哨子波的觀測、ELFIN的電子數據和複雜的計算機建模，研究小組看到了哨子波是如何導致電子的快速洪流流入大氣層的，這遠遠超出了以前理論的預期數量。目前的空間天氣模型沒有考慮到這種額外的電子流，它不僅有助於產生耀眼的極光而且會損害低軌道衛星並影響大氣化學。
EPSS的論文合著者、儀器負責人和空間物理學博士生Colin Wilkins說道：“利用我們自己建造的硬件提供的數據增加我們的空間科學知識確實是一種有益的感覺。這需要在幕後做出巨大的努力和決心才能實現。”
通過進一步的研究，研究人員發現，在地磁暴期間，這種類型的輻射帶向大氣層的損失可能會顯著增加，地磁暴則是由太陽活動增強引起的干擾進而影響近地空間。由於現有的模型沒有考慮到這一點，因此低估了電子降水的影響。
將電子損失對大氣的影響考慮在內不僅對地面建模很重要而且對理解地球的磁環境和預測對衛星、宇航員和其他空間基礎設施的危害也非常重要。儘管人們通常認為太空跟我們的高層大氣是分開的，但這兩者是密不可分的。了解它們之間的聯繫可以使經過該區域的衛星和宇航員受益，這對商業、地球監測、電信和旅遊越來越重要。
“ELFIN任務讓加州大學洛杉磯分校的學生有機會在校園內從事一個行業水平的項目，我很自豪我們能在不犧牲科學質量的情況下跟300多名本科生一起完成這麼多工作，”這項研究的論文共同作者、項目經理、空間物理學博士生Ethan Tsai說道，“來自ELFIN衛星的數據處於空間天氣研究的最前沿並將在未來十年被世界各地的研究人員大量使用，因此我們非常努力地使我們的數據開放並易於被整個空間科學界使用。”