Интенсивные хоровые волны являются причиной потока

Sep 02, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21717 (2022) Цитировать эту статью

461 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Волны хора играют ключевую роль в динамике внешнего электронного пояса Ван Аллена посредством циклотронного резонанса. Здесь мы используем данные Van Allen Probes, чтобы выявить новую и особую популяцию интенсивных хоровых волн, возбуждаемых в сердце радиационного пояса во время главной фазы геомагнитных бурь. Мощность волн обычно на ~ 2–3 порядка превышает предбуревые уровни и генерируются, когда потоки электронов с энергией ~ 10–100 кэВ приближаются к пределу Кеннела – Петчека или превышают его. Эти интенсивные хоровые волны быстро рассеивают электроны в конусе потерь, ограничивая поток электронов до значения, близкого к пределу, предсказанному Кеннелом и Петчеком более 50 лет назад. Наши результаты имеют решающее значение для понимания пределов потоков радиационного пояса, поскольку точные модели, вероятно, потребуют включения этого процесса ограничения потока, управляемого хоровой волной, который не зависит от механизма ускорения или источника, ответственного за усиление потока.

Понимание процессов, ответственных за наблюдаемую сложную динамику электронных поясов Ван Аллена внешней зоны во время геомагнитных бурь, остается активной темой исследований. Поток релятивистских электронов, захваченных в радиационных поясах Ван Аллена Земли, может изменяться на несколько порядков в ответ на воздействие солнечного ветра (например, 1), и было предложено, что ряд взаимодействий между волной и частицами способствуют наблюдаемой динамике. Например, хоровые волны ответственны за локальное ускорение (см., например, 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11), более длиннопериодные сверхнизкочастотные (УНЧ) волны ответственны за ускорение частиц, как результат внутренней радиальной диффузии (например, см. 12,13,14,15,16,17,18,19,20,21), а также других взаимодействий волна-частица, таких как электромагнитные ионно-циклотронные (ЭМИЦ) волны, которые ответственные за потерю электронов радиационного пояса (например, см. 22, 23), искусственные волны ОНЧ-передатчика (например, 24) и шипение плазмосферы (например, 25) также считаются способными рассеивать электроны в конус потерь и приводить к соответствующую эволюцию потока электронов. В этой статье мы исследуем активность хоровых волн, которая сопровождает процесс ограничения потока во внутренней магнитосфере, который происходит во время геомагнитных бурь, и показываем, что теоретические предсказания Кеннела и Петчека26 точно отражают поведение волн и потоков электронов во внешнем Ване. Ремень Аллен.

Недавняя работа Олифера и др.27, связанная с ограничением потока электронов с энергией ~ 10–100 кэВ, пересмотрела динамику популяции энергичных электронов во внешнем радиационном поясе электронов, обнаружив доказательства энергетически-зависимого ограничения потока электронов в ремни (см. также28 и ссылки там). Олифер и др.27 проанализировали 70 геомагнитных бурь за период работы зондов Ван Аллена НАСА29,30 за \(2012 - 2019\). Как показали Олифер и др.27, во время геомагнитной бури поток электронов с меньшей энергией (\(\sim < 700\) кэВ) во внешнем радиационном поясе (\(4< L^* < 6\)) быстро достигает максимума, и этот максимум потока одинаков от бури к буре. Олифер и др.27 далее продемонстрировали, что электроны с более низкой энергией при энергиях \(\sim 10\)s кэВ достигают предела потока раньше, чем электроны с более высокими энергиями. Поведение потока намекает на теорию ограничения потока Кеннела и Петчека26, но без соответствующих волновых данных интерпретация не получила полного подтверждения.

Кеннел и Петшек26 предположили, что потоки электронов с энергиями от десятков до сотен кэВ могут самоограничиваться до максимального уровня под действием волн свистовой моды (см. также, например, 28). В областях с низкой плотностью магнитосферы Земли, которые совпадают с внешним радиационным поясом, эти волны обычно известны как хор свистовой моды. В парадигме Кеннела-Петчека, как только уровни потока электронов достигают теоретического предела, самогенерируемые интенсивные хоровые волны приводят к быстрому рассеянию электронов в атмосферу, чтобы предотвратить дальнейшее увеличение потока и вернуть поток к значениям, близким к теоретическим. предел. Хотя значение потока, при котором запускается этот процесс, не представляет собой общий верхний уровень для кратковременного потока электронов, оно представляет собой асимптотический предел, к которому поток возвращается после действия процесса Кеннела – Петчека. Для простоты терминологии и в соответствии с предшествующей литературой в остальной части статьи мы будем называть этот уровень потока электронов «пределом КП».