강렬한 코러스 웨이브가 플럭스의 원인입니다.
Sep 02, 2023Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21717(2022) 이 기사 인용
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합창파는 사이클로트론 공명을 통해 외부 Van Allen 전자 벨트 역학에서 중요한 역할을 합니다. 여기에서 우리는 Van Allen Probes 데이터를 사용하여 지자기 폭풍의 주요 단계 동안 복사 벨트의 중심부에서 자극된 강렬한 합창파의 새롭고 뚜렷한 집단을 밝힙니다. 파동의 힘은 일반적으로 폭풍 이전 수준보다 2~3배 더 크며, 10~100keV의 전자 플럭스가 Kennel-Petschek 한계에 접근하거나 초과할 때 생성됩니다. 이러한 강렬한 합창파는 전자를 손실 원뿔로 빠르게 분산시켜 전자 플럭스를 50년 전 Kennel과 Petschek이 예측한 한계에 가까운 값으로 제한합니다. 우리의 결과는 복사 벨트 플럭스의 한계를 이해하는 데 중요하며, 플럭스 향상을 담당하는 가속 메커니즘이나 소스와는 독립적인 합창파 구동 플럭스 제한 프로세스를 포함해야 할 정확한 모델을 사용합니다.
지자기 폭풍 동안 외부 영역 전자 Van Allen 벨트의 관찰된 복잡한 역학을 담당하는 프로세스를 이해하는 것은 여전히 활발한 연구 주제입니다. 지구의 반 알렌(Van Allen) 복사대에 갇힌 상대론적 전자의 플럭스는 태양풍 강제력(예:1)에 반응하여 여러 자릿수로 달라질 수 있으며, 수많은 파동-입자 상호 작용이 관찰된 역학에 기여하는 것으로 제안되었습니다. 예를 들어, 코러스파는 국부적 가속을 담당하고(예: 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 참조), 더 긴 주기의 초저주파(ULF) 파는 다음과 같이 입자 가속을 담당합니다. 내부 방사형 확산(예: 12,13,14,15,16,17,18,19,20,21 참조)과 전자기 이온-사이클로트론(EMIC) 파동과 같은 다른 파동-입자 상호 작용의 결과입니다. 복사 벨트 전자(예:22,23 참조), 인공 VLF 송신기 파동(예:24) 및 플라즈마구체 히스(예:25)의 손실을 담당하는 것도 전자를 손실 원뿔로 산란시켜 다음과 같은 결과를 초래할 수 있다고 생각됩니다. 이에 상응하는 전자 플럭스의 진화. 본 논문에서는 지자기 폭풍 동안 발생하는 내부 자기권의 자속 제한 과정을 수반하는 코러스 파동 활동을 조사하고 Kennel과 Petschek26의 이론적 예측이 외부 Van의 파동 및 전자 플럭스의 거동을 정확하게 묘사한다는 것을 입증합니다. 알렌 벨트.
Olifer et al.27의 ~ 10-100 keV 전자 플럭스 캡핑과 관련된 최근 연구는 외부 전자 복사 벨트의 에너지 전자 모집단의 역학을 재검토하여 전자 플럭스에 대한 에너지 의존적 한계에 대한 증거를 밝혔습니다. 벨트(또한 28 및 그 안의 참조 참조). Olifer et al.27은 NASA Van Allen 탐사선29,30의 작동 기간(2012~2019년) 동안 70개의 지자기 폭풍을 분석했습니다. Olifer et al.27이 보여주듯이, 지자기 폭풍 동안 외부 복사 벨트(\(4< L^* < 6\))에서 낮은 에너지 전자(\(\sim < 700\) keV)의 플럭스는 빠르게 최대값에 도달하고 이 플럭스 최대값은 폭풍마다 동일합니다. Olifer et al.27은 에너지 \(\sim 10\)s keV의 낮은 에너지 전자가 더 높은 에너지의 전자보다 먼저 플럭스 캡에 도달한다는 것을 추가로 입증했습니다. 플럭스의 거동은 Kennel과 Petschek26의 플럭스 제한 이론을 암시하지만 적절한 파동 데이터가 없으면 해석이 완전히 확인되지 않았습니다.
Kennel과 Petschek26은 수십에서 수백 keV의 에너지를 갖는 전자 플럭스가 휘슬러 모드 파동의 작용을 통해 최대 수준으로 자체 제한될 수 있다고 제안했습니다(예: 28 참조). 외부 복사대와 일치하는 지구 자기권의 저밀도 지역에서 이러한 파동은 일반적으로 휘슬러 모드 합창으로 알려져 있습니다. Kennel-Petschek 패러다임에서 전자 플럭스 수준이 이론적인 한계에 도달하면 자체 생성된 강렬한 코러스 파동은 플럭스의 추가 증가를 방지하고 플럭스를 이론적인 값에 가까운 값으로 되돌리기 위해 전자를 대기로 빠르게 분산시킵니다. 한계. 이 프로세스가 시작되는 플럭스 값은 단기 전자 플럭스의 전체 상위 수준을 나타내지는 않지만 Kennel-Petschek 프로세스의 작용 후 플럭스가 반환되는 점근적 한계를 나타냅니다. 용어를 단순화하고 이전 문헌과 일관성을 유지하기 위해 이 논문의 나머지 부분에서는 이 전자 플럭스 수준을 "KP 한계"라고 부릅니다.
10^{-4}\) nT2) are observed are also indicated./p>10^{-4}\) nT2, or the electron flux in each of the three energy channels exceeds the relevant KP limit. The bottom panels (g and n) show the precipitation flux as observed by the Polar Operational Environmental Satellites (POES) for >30 keV electrons at two specific L shells within the corresponding L* range. For these panels, we considered the same set of 70 geomagnetic storms during the Van Allen Probe era, and used the 0° telescope to reveal the precipitation fluxes in the dawn sector (0 to 12 MLT). At these L-shells, 0° telescope measures only precipitating particles with equatorial pitch angle of ~1.5°./p> 10^{-4}\) nT2 and observed flux greater than KP limiting flux for 33 keV (blue), 54 keV (green) and 80 keV (navy) electrons within the L\(^*\) range 4–5 (left panel) and 5–6 (right panel); and precipitating flux as observed by POES for > 30 keV electrons at (g) L = 4.5 and (n) L = 5.5 as a function of superposed epoch (in days) between \(0 - 12\) MLT. In each panel, the vertical dashed line marks the zero epoch and the horizontal dashed lines in panels (c–e) and (j–l) indicate the observed flux being equal to the KP limiting flux. The colorbar at the right denotes the PDF, so that the probability of finding events in each vertical slice adds up to 100%. In panels (g, n), the black scatter plot shows median electron flux and the error bars represent upper and lower quarterlies of the superposed epoch statistics./p>10^{-4}\) nT2 is significantly increased. As time progresses from epoch day -1 to epoch day 0, \(P_{ch}\) increases dramatically so that at epoch day 0, almost all \(P_{ch}\) is \(> 10^{-4}\) nT2, before returning to nearly pre-storm levels at epoch day 1. From Fig. 3c–e, we can see that before epoch day \(\sim -1\), the flux ratios are below the KP limit and the PDFs are wide. After epoch day \(\sim -1\), the probability of finding the observed flux greater than the KP limit begins to increase for all energies. At epoch day 0, the probability is maximised at values above the KP limit. The most important difference before and after the storm main phase is that after epoch day 0, the PDFs of electron flux become significantly concentrated with very high probabilities for the observed flux being close to the KP limited flux. From panel (g), we can see that starting from epoch day -0.5, the precipitating flux of electrons having energies > 30 keV at L = 4.5 starts to increase, reaching a maximum at epoch day 0, after which it begins to decrease. After epoch day 1, the precipitating flux reduces back to its pre-storm level. This is in strong correlation with the variation of both the integrated chorus wave power (panel b) and the electron fluxes (panels c–e), and shows that when the observed fluxes of tens of keV electrons exceed the theoretically predicted KP limiting flux, intense chorus waves are generated that lead to the precipitation of electrons into the atmospheric loss cone, exactly as predicted by Kennel and Petschek in their 1966 paper26./p>10^{-4}\) nT2, and observed flux greater than the KP limit, which is presented in Fig. 3f. The value of \(10^{-4}\) nT2 was chosen based on an examination of the superposed epoch response of the storms from Fig. 2. From this panel, we can see that the likelihood of finding \(P_{ch} > 10^{-4}\) nT2 (red curve) increases during the storm main phase, with a maximum (\(\sim 85\%\)) at epoch day 0. After this time, the likelihood gradually decreases to pre-storm level. Interestingly, the likelihood of observed flux being greater than the KP limited flux (blue, green and navy dashed curves) exhibits almost identical behaviour for all the three energy channels. There seems to be a strong correlation between the chance of seeing flux values above the KP limit and the change of seeing intense chorus wave power, especially for \(E=33\) keV. Overall, this is strongly supportive of the hypothesis that the enhancement of the absolute value of electron flux above a theoretically-derived limit during storm main phase is responsible for the generation of intense chorus wave power for \(4< L^* < 5\)./p>1\) MeV) in addition to creating descriptions appropriate for their incorporation into numerical radiation belt models. Overall, our work shows that intense chorus waves are excited as part of the natural self-limiting of the flux of electrons in the radiation belts, exactly as first predicted by Kennel and Petschek26 more than 50 years ago./p>
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