Le onde di coro intense sono la causa del flusso

Sep 02, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21717 (2022) Citare questo articolo

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Le onde del coro svolgono un ruolo chiave nella dinamica della cintura elettronica di Van Allen esterna attraverso la risonanza del ciclotrone. Qui, utilizziamo i dati delle sonde Van Allen per rivelare una nuova e distinta popolazione di intense onde coro eccitate nel cuore della cintura di radiazione durante la fase principale delle tempeste geomagnetiche. La potenza delle onde è tipicamente ~ 2–3 ordini di grandezza maggiore rispetto ai livelli pre-tempesta e viene generata quando flussi di elettroni di ~ 10–100 keV si avvicinano o superano il limite di Kennel-Petschek. Queste intense onde coro disperdono rapidamente gli elettroni nel cono di perdita, limitando il flusso di elettroni a un valore vicino al limite previsto da Kennel e Petschek oltre 50 anni fa. I nostri risultati sono cruciali per comprendere i limiti dei flussi della cintura di radiazione, con modelli accurati che probabilmente richiedono l’inclusione di questo processo di limitazione del flusso guidato dalle onde del coro, che è indipendente dal meccanismo di accelerazione o dalla fonte responsabile dell’aumento del flusso.

Comprendere i processi responsabili delle complesse dinamiche osservate nelle cinture elettroniche di Van Allen della zona esterna durante le tempeste geomagnetiche rimane un argomento di ricerca attivo. Il flusso di elettroni relativistici intrappolati nelle fasce di radiazione di Van Allen della Terra può variare di diversi ordini di grandezza in risposta alla forzante del vento solare (ad esempio, 1), ed è stato proposto che un certo numero di interazioni onda-particella contribuiscano alla dinamica osservata. Ad esempio, le onde chorus sono responsabili dell'accelerazione locale (ad esempio, vedere 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11), le onde a frequenza ultra-bassa (ULF) a periodo più lungo sono responsabili dell'accelerazione delle particelle come un risultato della diffusione radiale verso l'interno (ad esempio, vedere 12,13,14,15,16,17,18,19,20,21), oltre ad altre interazioni onda-particella come le onde elettromagnetiche ione-ciclotrone (EMIC) che sono responsabili della perdita di elettroni della cintura di radiazione (ad esempio, vedi 22,23), si ritiene che le onde del trasmettitore VLF artificiali (ad esempio, 24) e il sibilo plasmasferico (ad esempio, 25) siano in grado di disperdere gli elettroni nel cono di perdita e portare al corrispondente evoluzione del flusso di elettroni. In questo articolo, esaminiamo l'attività delle onde coro che accompagna un processo di limitazione del flusso nella magnetosfera interna che si verifica durante le tempeste geomagnetiche, e dimostriamo che le previsioni teoriche di Kennel e Petschek26 descrivono accuratamente il comportamento delle onde e dei flussi di elettroni nel Van esterno Cintura a brugola.

Un recente lavoro associato al limite del flusso di elettroni di ~ 10–100 keV da parte di Olifer et al.27 ha rivisitato la dinamica della popolazione di elettroni energetici nella fascia di radiazione elettronica esterna, rivelando prove di un limite dipendente dall'energia al flusso di elettroni nella fascia di radiazione elettronica esterna. cinture (vedi anche28, e riferimenti ivi contenuti). Olifer et al.27 hanno analizzato 70 tempeste geomagnetiche durante il periodo di funzionamento delle sonde Van Allen della NASA29,30 dal \(2012 - 2019\). Come mostrato da Olifer et al.27, durante una tempesta geomagnetica, il flusso di elettroni di energia inferiore (\(\sim < 700\) keV) nella fascia di radiazione esterna (\(4< L^* < 6\)) rapidamente raggiunge un massimo e questo flusso massimo è lo stesso da tempesta a tempesta. Olifer et al.27 hanno inoltre dimostrato che gli elettroni di energia più bassa ad energie \(\sim 10\)s keV raggiungono un limite di flusso prima degli elettroni ad energie più alte. Il comportamento del flusso suggerisce la teoria limitante del flusso di Kennel e Petschek26, ma senza dati appropriati sulle onde l'interpretazione non è stata completamente confermata.

Kennel e Petschek26 hanno proposto che i flussi di elettroni con energie da decine a centinaia di keV potrebbero autolimitarsi ad un livello massimo attraverso l'azione delle onde in modalità fischio (vedi anche es.28). Nelle regioni a bassa densità della magnetosfera terrestre che coincidono con la fascia di radiazione esterna, queste onde sono comunemente note come coro in modalità fischio. Nel paradigma Kennel-Petschek, una volta che i livelli di flusso di elettroni raggiungono un limite teorico, intense onde chorus autogenerate portano a una rapida dispersione di elettroni nell'atmosfera per prevenire ulteriori aumenti di flusso e riportare il flusso a valori vicini a quelli teorici. limite. Sebbene il valore del flusso al quale viene attivato questo processo non rappresenti un livello superiore complessivo per il flusso di elettroni a breve termine, rappresenta il limite asintotico al quale il flusso ritorna dopo l'azione del processo Kennel-Petschek. Per semplicità di terminologia e per coerenza con la letteratura precedente, nel resto dell'articolo faremo riferimento a questo livello di flusso di elettroni come "limite KP".