Nonlinear processes in space plasmas and their effects on the generation and propagation of electromagnetic waves

Abstract

Nonlinear interactions of charged particles and large-amplitude waves have a signif- icant impact on magnetospheric dynamics. Here we focus on the cyclotron resonant interaction between energetic electrons and the discrete, whistler-mode chorus emissions in the Earth's outer radiation belt. The subject is introduced by an extensive review of whistler-mode dispersion properties, resonant electron trajectories and nonlinear wave- growth theories. We then present a new semi-empirical model of rising-tone chorus emis- sions with a fine subpacket structure. The model is then used in test-particle simulations to investigate nonlinear perturbations in hot electron distributions. Based on changes in electron fluxes, we estimate the resolution of spacecraft particle detectors required to detect the predicted perturbations. The test-particle method is further used to sim- ulate atmospheric precipitation of electrons caused by interaction with a single chorus wavepacket, and the result is put into connection with microbursts and pulsating auro- ras. We also detected a violation of the strong diffusion limit by the cyclotron resonant interaction, resulting in loss cone overfilling. 1

Nelineární interakce nabitých částic a vln s vysokou amplitudou se významně proje- vují v dynamice magnetosfér. Zde se zaměřujeme na cyklotronovou rezonanční interakci mezi energetickými elektrony a diskrétními emisemi hvizdového módu zvanými chorus, jež se vyskytují ve vnějším radiačním pásu Země. Téma je uvedeno detailním rozborem disperzních vlastností hvizdových vln, trajektorií částic a přehledem teorií nelineárního růstu vln. V hlavní části prezentujeme nový semi-empirický model vlnových balíků choru s rostoucí frekvencí, které v sobě zahrnují jemné modulace amplitudy. Tento model je po- užit pro simulace testovacích částic, pomocí nichž studujeme nelineární perturbace v roz- dělení horkých elektronů. Na základě pozorovaných změn v toku elektronů jsme odhadli rozlišení částicových přístrojů potřebné k detekci předpovězených perturbací. Částicové simulace jsou dále využity ke zkoumání vysypávání elektronů do atmosféry v důsledku interakce s balíky choru. Výsledky jsou dány do souvislosti s pozorováním mikroburstů a pulzujících polárních září. Zároveň jsme v simulacích zaznamenali překročení difúzního limitu způsobené cyklotronovou interakcí, jež se projevilo přeplněním ztrátového kuželu. 1