Using the Event Matrix for Chorus from the Lower Frequency Band to Determine Some Characteristics of Their Excitation Mechanism

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

The work is devoted to studying the quantitative characteristics of the mechanism of excitation of VLF chorus emissions by means the analysis of high-resolution data from the Van Allen Probe spacecraft. A typical example of chorus with spectral forms in the lower frequency band (below half the electron cyclotron frequency) in the region of the local minimum of the magnetic field behind the plasmapause in the middle magnetosphere has been chosen. The results of wave field measurements in a high-resolution data channel are presented in the form of a rectangular event matrix, each row of which corresponds to one cycle of the wave process. In the event matrix, rows are selected that correspond to those implementation fragments that clearly characterize the natural source of short electromagnetic pulses origin. This made it possible to determine the complex eigen-values of the characteristic equation of the source at the linear stage of excitation of the chorus. The values of the roots of the characteristic equation, established by analyzing the observation data of chorus, correspond to implementation of the mechanism for exciting chorus by amplifying noise electromagnetic pulses in enhanced ducts.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

P. Bespalov

A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences; HSE University

Autor responsável pela correspondência
Email: pbespalov@mail.ru
Rússia, Nizhny Novgorod; Nizhny Novgorod

O. Savina

HSE University

Email: onsavina@mail.ru
Rússia, Nizhny Novgorod

G. Neshchetkin

A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences; HSE University

Email: gmheschetkin@edu.hse.ru
Rússia, Nizhny Novgorod; Nizhny Novgorod

Bibliografia

  1. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 313 с. 1979.
  2. Agapitov O., Blum L.W., Mozer F.S., Bonnell J.W., Wygant J. Chorus whistler wave source scales as determined from multipoint Van Allen Probe measurements // Geophys. Res. Lett. V. 44. N 6. P. 2634–2642. 2017. https://doi.org/10.1002/2017GL072701
  3. Bell T.F., Inan U.S., Hague N., Pickett J.S. Source regions of banded chorus // Geophys. Res. Lett. V. 36. N 11. ID L11101. 2009. https://doi.org/10.1029/2009GL037629
  4. Bespalov P., Savina O. An excitation mechanism for discrete chorus elements in the magnetosphere // Ann. Geophys. V. 36. N 5. P. 1201–1206. 2018. https://doi.org/10.5194/angeo-36-1201
  5. Bespalov P.A., Savina O.N. Excitation of chorus with small wave normal angles due to beam pulse amplifier (BPA) mechanism in density ducts // Ann. Geophys. V. 37. N 5. P. 819–824. 2019. https://doi.org/10.5194/angeo-37-819-2019
  6. Bespalov P.A., Savina O.N. Electromagnetic pulse amplification in a magnetized nearly stable plasma layer // Results Phys. V. 28. ID 104607. 2021. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104607
  7. Bespalov P.A., Savina O.N., Neshchetkin G.M. Hausdorf dimension of electromagnetic chorus emissions in their excitation region according to Van Allen probe data // Results Phys. V. 35. ID 105295. 2022. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2022.105295
  8. Bortnik J., Thorne R.M., Meredith N.P. The unexpected origin of plasmaspheric hiss from discrete chorus emissions // Nature. V. 452. N 7183. P. 62–66. 2008. https://doi.org/10.1038/nature06741
  9. Chen H., Wang X., Chen L., Omura Y., Lu Q., Chen R., Xia Z., Gaoet X. Simulation of downward frequency chirping in the rising tone chorus element // Geophys. Res. Lett. V. 50. N 9. ID e2023GL103160. 2023. https://doi.org/10.1029/2023GL103160
  10. Fu X., Cowee M.M., Friedel R.H., Funsten H.O., Gary S.P., Hospodarsky G.B., Kletzing C., Kurth W., Larsen B.A., Liu K., MacDonald E.A., Min K., Reeves G.D., Skoug R.M., Winske D. Whistler anisotropy instabilities as the source of banded chorus: Van Allen Probes observations and Particle-in-Cell simulations // J. Geophys. Res. – Space. V. 119. N 10. P. 8288–8298. 2014. https://doi.org/10.1002/2014JA020364
  11. Gao X., Lu Q., Bortnik J., Li W., Chen L., Wang S. Generation of multiband chorus by lower band cascade in the Earth’s magnetosphere // Geophys. Res. Lett. V. 43. N 6. P. 2343–2350. 2016. https://doi.org/10.1002/2016GRL068313
  12. Haque N., Inan U.S., Bell T.F., Pickett J.S., Trotignon J.G., Facsko G. Cluster observations of whistler mode ducts and banded chorus // Geophys. Res. Lett. V. 38. N 18. ID L18107. 2011. https://doi.org/10.1029/2011GL049112
  13. Helliwell R.A. Whistlers and related ionospheric phenomena. Stanford, CA: Stanford University Press, 349 p. 1965.
  14. Helliwell R.A. The role of the Gendrin mode of VLF propagation in the generation of magnetospheric emissions // Geophys. Res. Lett. V. 22. N 16. P. 2095–2098. 1995. https://doi.org/10.1029/95GL02003
  15. Karpman V.I., Kaufman R.N. Whistler wave propagation in magnetospheric ducts (in the equatorial region) // Planet. Space Sci. V. 32. N 12. P. 1505–1511. 1984. https://doi.org/10.1016/0032-0633(84)90017-5
  16. Katoh Y., Omura Y. Electron hybrid code simulation of whistler mode chorus generation with real parameters in the Earth’s inner magnetosphere // Earth Planets Space. V. 6. N 1. ID 192. 2016. https://doi.org/10.1186/s40623-016-0568-0
  17. Kletzing C.A., Kurth W.S., Acuna M., et al. The Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) on RBSP // Space Sci. Rev. V. 179. N 1–4. P. 127–181. 2013. https://doi.org/10.1007/s11214-013-9993-6
  18. Kurita S., Katoh Y., Omura Y., Angelopoulos V., Cully C.M., Le Conte O., Misawa H. THEMIS observation of chorus elements without a gap at half the gyrofrequency. J. Geophys. Res. – Space. V. 117. N 11. ID A11223. 2012. https://doi.org/10.1029/2012JA018076
  19. Meredith N.P., Cain M., Horne R.B., Thorne R.M., Summers D., Anderson R.R. Evidence for chorus-driven electron acceleration to relativistic energies from a survey of geomagnetically disturbed periods // J. Geophys. Res. – Space. V. 108. N 6. ID 1248. 2003. https://doi.org/10.1029/2002JA009764.
  20. Omura Y., Katoh Y., Summers D. Theory and simulation of the generation of whistler-mode chorus // J. Geophys. Res. – Space. V. 113. N 4. ID A04223. 2008. https://doi.org/10.1029/2007JA012622
  21. Summers D., Thorne R.M., Xiao F. Relativistic theory of wave-particle resonant diffusion with application to electron acceleration in the magnetosphere // J. Geophys. Res. – Space. V. 103. N 9. P. 20487–20500. 1998. https://doi.org/10.1029/98JA01740
  22. Trakhtengerts V.Y. Magnetosphere cyclotron maser: Backward wave oscillator generation regime // J. Geophys. Res. – Space. V. 100. N 9. P. 17205–17210. 1995. https://doi.org/10.1029/95JA00843
  23. Zhou C., Li W., Thorne R.M., Bortnik J., Ma Q., An X., Zhang X.-J., Angelopoulos V., Ni B., Gu X., Fu S., Zhao Z. Excitation of dayside chorus waves due to magnetic field line compression in response to interplanetary shocks // J. Geophys. Res. – Space. V. 120. N 10. P. 8327–8338. 2015. https://doi.org/10.1002/2015JA021530

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Spectral shapes of a typical chorus burst with low (a) and high (b) temporal resolution. The white line shows the half of the local electron cyclotron frequency.

Baixar (278KB)
Metadados
3. Fig. 2. Oscillogram of the wave field, where asterisks show the results of consecutive measurements of the BU-component value.

Baixar (406KB)
Metadados
4. Fig. 3. Asterisks correspond to known measurements of the BU component of the wave magnetic field, peak values are marked with squares (Uk, Uk + 1) and circles (Dk), the black line is the approximation from cosine fragments based on formulas (14) that we finally constructed.

Baixar (220KB)
Metadados
5. Fig. 4. Reconstructed roots of the characteristic equation describing the linear stage of chorus excitation. The selection of these 12 clusters in the event matrix was based on keeping the values of γ, ω, φ in consecutive four or more rows with a spread of 10%.

Baixar (88KB)
Metadados
6. Fig. 5. The result of additionally checking the fulfilment of the pattern (2) for one of the found roots of the characteristic equation.

Baixar (205KB)
Metadados
7. Fig. 6. Roots of the characteristic equation (c), dynamic spectrum of the signal (b), distribution of roots (a, d).

Baixar (164KB)
Metadados
8. Fig. 7. Dependence of the frequency ωv on the longitudinal component of the wave vector kz for whistling waves with dispersion equation (12). The dashed line corresponds to the equality of the longitudinal phase and group velocities.

Baixar (62KB)
Metadados
9. Fig. 8. Result of numerical solution of the characteristic equation (13).

Baixar (86KB)
Metadados
10. Fig. 9. Background plasma concentration along the spacecraft flight path. The chorus burst shown in Fig. 1b was observed in the interval marked by vertical lines.

Baixar (66KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».