Ondas de coro intensas são a causa do fluxo

Sep 02, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21717 (2022) Citar este artigo

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As ondas de coro desempenham um papel fundamental na dinâmica externa do cinturão de elétrons de Van Allen por meio da ressonância do ciclotron. Aqui, usamos os dados da Van Allen Probes para revelar uma nova e distinta população de intensas ondas de coro excitadas no coração do cinturão de radiação durante a fase principal das tempestades geomagnéticas. A potência das ondas é tipicamente ~ 2–3 ordens de magnitude maior que os níveis pré-tempestade e são geradas quando fluxos de ~ 10–100 keV elétrons se aproximam ou excedem o limite de Kennel–Petschek. Essas intensas ondas de coro espalham rapidamente os elétrons no cone de perda, limitando o fluxo de elétrons a um valor próximo ao limite previsto por Kennel e Petschek há mais de 50 anos. Nossos resultados são cruciais para a compreensão dos limites dos fluxos do cinturão de radiação, com modelos precisos que provavelmente requerem a inclusão desse processo de limitação de fluxo conduzido por ondas de coro, que é independente do mecanismo de aceleração ou fonte responsável por aumentar o fluxo.

Compreender os processos que são responsáveis ​​pela dinâmica complexa observada dos cinturões de Van Allen de elétrons da zona externa durante as tempestades geomagnéticas continua sendo um tópico ativo de pesquisa. O fluxo de elétrons relativísticos presos nos cinturões de radiação de Van Allen da Terra pode variar em várias ordens de magnitude em resposta à força do vento solar (por exemplo, 1), e várias interações onda-partícula foram propostas como contribuindo para a dinâmica observada. Por exemplo, as ondas de coro são responsáveis ​​pela aceleração local (por exemplo, ver2,3,4,5,6,7,8,9,10,11), ondas de frequência ultrabaixa (ULF) de período mais longo são responsáveis ​​pela aceleração de partículas como um resultado de difusão radial interna (por exemplo, consulte12,13,14,15,16,17,18,19,20,21), além de outras interações onda-partícula, como ondas eletromagnéticas de íon-cíclotron (EMIC) que são responsável pela perda de elétrons do cinturão de radiação (por exemplo, ver22,23), ondas transmissoras VLF artificiais (por exemplo,24) e silvo plasmasférico (por exemplo,25) também são consideradas capazes de espalhar os elétrons no cone de perda e levar ao correspondente evolução do fluxo de elétrons. Neste artigo, examinamos a atividade de onda de coro que acompanha um processo de limitação de fluxo na magnetosfera interna que ocorre durante tempestades geomagnéticas e demonstramos que as previsões teóricas de Kennel e Petschek26 descrevem com precisão o comportamento de ondas e fluxos de elétrons na camada externa de Van. Cinto Allen.

Trabalhos recentes associados ao nivelamento do fluxo de elétrons de ~ 10–100 keV por Olifer et al. cintos (ver também28, e referências nele contidas). Olifer et al.27 analisaram 70 tempestades geomagnéticas durante o período de operação das Sondas Van Allen da NASA29,30 de \(2012 - 2019\). Conforme mostrado por Olifer et al.27, durante uma tempestade geomagnética, o fluxo de elétrons de menor energia (\(\sim < 700\) keV) no cinturão de radiação externo (\(4< L^* < 6\)) rapidamente atinge um máximo e este máximo de fluxo é o mesmo de tempestade para tempestade. Olifer et al.27 demonstraram ainda que os elétrons de energia mais baixa em energias \(\sim 10\)s keV atingem um limite de fluxo antes dos elétrons em energias mais altas. O comportamento do fluxo sugere a teoria de limitação de fluxo de Kennel e Petschek26, mas sem dados de onda apropriados, a interpretação não foi totalmente confirmada.

Kennel e Petschek26 propuseram que os fluxos de elétrons com energias de dezenas a centenas de keV poderiam se tornar autolimitados a um nível máximo através da ação de ondas em modo assobiador (ver também, por exemplo, 28). Nas regiões de baixa densidade da magnetosfera da Terra que coincidem com o cinturão de radiação externo, essas ondas são comumente conhecidas como coro de modo assobiador. No paradigma Kennel-Petschek, uma vez que os níveis de fluxo de elétrons atingem um limite teórico, ondas de coro intensas autogeradas levam a uma rápida dispersão de elétrons na atmosfera para evitar qualquer aumento adicional no fluxo e retornar o fluxo a valores próximos ao teórico. limite. Embora o valor do fluxo no qual esse processo é acionado não represente um nível superior geral para o fluxo de elétrons de curto prazo, ele representa o limite assintótico ao qual o fluxo retorna após a ação do processo Kennel-Petschek. Para simplificar a terminologia e para ser consistente com a literatura anterior, ao longo do restante do artigo, nos referiremos a esse nível de fluxo de elétrons como o "limite KP".