During their respective missions, the spacecraft Voyager and Cassini measured several Saturn magnetosphere parameters at different radial distances. As a result of information gathered throughout the journey, Voyager 1 discovered hot and cold electron distribution components, number density, and energy in the 6-18 Rs range. Observations made by Voyager of intensity fluctuations in the 20-30 keV range show electrons are situated in the resonance spectrum's high energy tail. Plasma waves in the magnetosphere can be used to locate Saturn's inner magnetosphere's plasma clusters, which are controlled by Saturn's spin. Electromagnetic electron cyclotron (EMEC) wave ring distribution function has been investigated. Kinetic and linear approaches have been used to study electromagnetic cyclotron (EMEC) wave propagation. EMEC waves' stability can be assessed by analyzing the dispersion relation's effect on the ring distribution function. The primary goal of this study is to determine the impact of the magnetosphere parameters which is observed by Cassini. The magnetosphere of Saturn has also been observed. When the plasma parameters are increased as the distribution index, the growth/damping rate increases until the magnetic field model affects the magnetic field at equator, as can be seen in the graphs. We discuss the outputs of our model in the context of measurements made in situ by the Cassini spacecraft.
We examine cyclotron resonant interactions of radiation belt electrons with VLF chorus, plasmaspheric ELF hiss and electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves. Bounce-averaged diffusion rates depend on wave mode, equatorial pitch-angle, electron energy and L-shell. As well, diffusion rates can be sensitive to the latitudinal distributions of particle density and wave power. For different configurations of the plasmasphere, we calculate electron precipitation loss timescales due to combined scattering by VLF chorus, ELF hiss and EMIC waves.
Adlparvar, S.;Miraboutalebi, S.;Kiai, S.M. Sadat;Rajaee, L.
Nuclear Engineering and Technology
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제50권7호
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pp.1106-1111
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2018
Electromagnetic waves potentially have been used to heat overdense nuclear fusion plasmas through a double mode conversion from ordinary to slow extraordinary and finally to Electron Bernstein Wave (EBW) modes, OSXB. This scheme is efficient and has not any plasma density limit of electron cyclotron resonance heating due to cut-off layer. The efficiency of conversion depends on the isotropic launching angles of the microwaves with the plasma parameters. In this article, a two-step mode conversions of OSXB power transmission efficiency affected by the fast extraordinary (FX) loses at upper hybrid frequency are studied. In addition, the kinetic (hot) dispersion relation of a overdense plasma in a full wave analysis of a OSXB in Wendelstein 7X (W7-X) stellarator plasma has been numerically simulated. The influence of plasma dependent parameters such as finite Larmor radius, electron thermal velocity and electron cyclotron frequency are represented.
The Earth's outer radiation belt has long received considerable attention mainly because the MeV electron flux in the belt varies often dramatically and at various time scales. It is now widely accepted that the wave-particle interaction is one of the major mechanisms responsible for such flux variations. The wave-particle interaction can accelerate electrons to MeV energies, explaining the observed flux increase events, and can also scatter the electrons' motion into the loss cone, resulting in atmospheric precipitation and thus contributing to flux dropouts. In this paper, we provide a review of the current state of research on relativistic electron scattering and precipitation due to the interaction with electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves in the inner magnetosphere. The review is intended to cover progress made over the last ~15 years in the theory and simulations of various issues, including quasilinear resonance diffusion, nonlinear interactions, nonresonant interactions, effects of finite normal angle on pitch angle scattering, effects due to rising tone emission, and ways to scatter near-equatorial pitch angle electrons. The review concludes with suggestions of a few promising topics for future research.
The elements that impact the dynamics and collaborations of waves and particles in the magnetosphere of planets have been considered here. Saturn's internal magnetosphere is determined by substantiated instabilities and discovered to be an exceptional zone of wave activity. Interchanged instability is found to be one of the responsible events in view of temperature anisotropy and energization processes of magnetospheric species. The generated active ions alongside electrons that constitute the populations of highly magnetized planets like Saturn's ring electron current are taken into consideration in the current framework. The previous and similar method of characteristics and the perturbed distribution function have been used to derive dispersion relation. In incorporating this investigation, the characteristics of electromagnetic ion cyclotron wave (EMIC) waves are determined by the composition of ions in plasmas through which the waves propagate. The effect of ring distribution illustrates non-monotonous description on growth rate (GR) depending upon plasma parameters picked out. Observations made by Cassini found appropriate for modern study, have been applied to the Kronian magnetosphere. Using Maxwellian ring distribution function of ions and detailed mathematical formulation, an expression for dispersion relation as well as GR and real frequency (RF) are evaluated. Analysis of plasma parameters shows that, proliferating EMIC waves are not developed much when propagation is parallelly aligned with magnetosphere as compared to waves propagating in oblique direction. GR for the oblique case, is influenced by temperature anisotropy as well as by alternating current (AC) frequency, whereas it is much affected only by AC frequency for parallel propagating waves.
Radiation Belt Environment (RBE) model has developed to understand radiation belt dynamics as it considers whistler mode hiss and chorus waves which is responsible for relativistic electron acceleration and precipitation. Recently, many studies on electron loss by pitch-angle scattering have reported that elctromagnetic ion cyclotron (EMIC) wave is also responsible for main loss mechanism in dusk and equatorial regeion. Here, we attempt to incorporate EMIC into RBE model simulation code to understand more detailed physical dynamics in Radiation belt environemnt. We compare this developed model to data during storm events where both of electron loss and EMIC waves were detected.
Hwang, Junga;Shin, Dae-Kyu;Yoon, Peter H.;Kurth, William S.;Lee, Dae-Young
천문학회보
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제41권2호
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pp.42.2-43
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2016
Electrostatic fluctuations near upper-hybrid frequency, which are sometimes accompanied by multiple-harmonic electron cyclotron frequency bands above and below the upper-hybrid frequency, are common occurrences in the Earth's radiation belt, as revealed through the twin Van Allen Probe spacecraft. In the literature upper-hybrid emissions are used for estimating the background electron density, which in turn can be used to determine the plasmapause locations, but the role of energetic electrons in generating such fluctuations has not been discussed. The present paper carries out detailed analyses of data from the Waves instrument, which is part of the Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) suite onboard the Van Allen Probes. Combined with theoretical calculation, it is demonstrated that the peak intensity associated with the upper-hybrid fluctuations is predominantly determined by tenuous but energetic electrons, and that denser and less energetic background electrons do not contribute much to the peak intensity. This finding shows that upper-hybrid fluctuations detected during quiet time are useful not only for the determination of the electron density, but also they contain information on the ambient energetic electron population as well.
Ha, Ji-Hoon;Kim, Sunjung;Ryu, Dongsu;Kang, Hyesung
천문학회보
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제46권1호
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pp.36.2-36.2
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2021
In the outskirts of galaxy clusters, weak shocks with Ms < ~3 appear as radio relics where the synchrotron radiation is emitted from cosmic-ray (CR) electrons. To understand the production of CR electrons through the so-called diffusive shock acceleration (DSA), the electron injection into the DSA process at shocks in the hot intracluster medium (ICM) has to be described. However, the injection remains as an unsolved, outstanding problem. To explore this problem, 2D Particle-in-Cell (PIC) simulations were performed. In this talk, we present the electron preacceleration mechanism mediated by multi-scale plasma waves in the shock transition zone. In particular, we find that the electron preacceleration is effective only in the supercritical shocks, which have the sonic Mach number Ms > Mcrit ≈ 2.3 in the high-beta (β~100) plasma of the ICM, because the Alfven ion cyclotron instability operates and hence multi-scale plasma waves are induced only in such supercritical shocks. Our findings will help to understand the nature of radio relics in galaxy clusters.
Ha, Ji-Hoon;Kim, Sunjung;Ryu, Dongsu;Kang, Hyesung
천문학회보
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제45권1호
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pp.55.2-55.2
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2020
Radio relics in the outskirts of galaxy clusters are interpreted as synchrotron radiation due to the relativistic electrons produced via diffusive shock acceleration (DSA) in shocks with low sonic Mach numbers, Ms ≤ 3 in high beta ICM plasma. Electron injection into the DSA process at such weak shocks is one of the key elements, which has yet to be fully understood. In this study, we explore the nature of kinetic microinstabilities excited in weak quasi-perpendicular shocks through 2D particle-in-cell simulations. We find Alfven-ion cyclotron (AIC), whistler, and mirror instabilities can be triggered by ion and electron temperature anisotropy in the immediate downstream of supercritical shocks with Ms > Mcrit ~ 2.3. In particular, AIC instability causes rippling of the shock surface, which in turn generates plasma waves on multi-scales and faciliates the electron preacceleration. Our results may contribute to understanding the origins of radio relics.
It is suggested that magnetosonic waves (also known as equatorial noise) can scatter radiation belt electrons in the Earth's magnetosphere. Therefore, it is important to understand the global distribution of these waves between the proton cyclotron frequency and the lower hybrid resonance frequency. In this study, we developed an empirical model for estimating the global distribution of magnetosonic wave amplitudes and wave normal angles. The model is based on the entire mission period (approximately 2012-2019) of observations of Van Allen Probes A and B as a function of the distance from the Earth (denoted by L*), magnetic local time (MLT), magnetic latitude (λ), and geomagnetic activity (denoted by the Kp index). In previous studies the wave distribution inside and outside the plasmasphere were separately investigated and modeled. Our model, on the other hand, identifies the wave distribution along with the ambient plasma environment-defined by the ratio of the plasma frequency (fpe) to the electron cyclotron frequency (fce)-without separately determining the wave distribution according to the plasmapause location. The model results show that, as Kp increases, the dayside wave amplitude in the equatorial region intensifies. It thereby propagates the intense region towards the wider MLT and inward to L* < 4. In contrast, the fpe/fce ratio decreases with increasing Kp for all regions. Nevertheless, the decreasing aspect differs between regions above and below L* = 4. This finding implies that the particle energy and pitch angle that magnetosonic waves can effectively scatter vary depending on the locations and geomagnetic activity. Our model agrees with the statistically observed wave distribution and ambient plasma environment with a coefficient of determination of > 0.9. The model is valid in all MLTs, 2 ≤ L* < 6, |λ| < 20°, and Kp ≤ 6.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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