Резонансное взаимодействие релятивистских электронов с ионно-циклотронными волнами. I. Особенности нелинейных режимов взаимодействия

Анализируется резонансное взаимодействие релятивистских электронов с ионно-циклотронными волнами в радиационных поясах Земли. Рассматриваются волновые пакеты конечной длины с переменной частотой и различными профилями амплитуды. На основе численного решения системы уравнений движения частиц в заданном поле волны исследуются особенности нелинейных режимов взаимодействия и его эффективность при однократном пролёте частицы через волновой пакет. В представленной здесь первой части работы анализируются особенности траекторий отдельных частиц. Рассмотрено влияние формы волнового пакета на известные режимы, такие как захват частиц полем волны и их группировка по фазе, приводящая к ненулевому среднему изменению питч-угла в неоднородной среде. Показано, что длительное пребывание частицы вблизи сепаратрисы на фазовой плоскости в области, далёкой от седла, приводит к сильному уменьшению питч-угла частицы и в отсутствие захвата. Данный нелинейный режим (направленное рассеяние) возможен для не слишком больших начальных питч-углов. При этом величина уменьшения питч-угла зависит от начальной фазы частицы. Показано, что траектории, соответствующие направленному рассеянию, можно считать переходным типом траекторий между траекториями пролётных и захваченных частиц. Получены количественные оценки изменения питч-угла и подтверждено, что направленное рассеяние и захват частиц полем волны могут приводить к высыпанию электронов в конус потерь.

На английском языке
Resonance Interaction of Relativistic Electrons with Ion-Cyclotron Waves. I. Specific Features of the Nonlinear Interaction Regimes
Grach V.S.
Demekhov A.G.

We analyze the resonance interaction of relativistic electrons with ion-cyclotron waves in the radiation belts of the Earth. Finite-length wave packets with variable frequencies and various amplitude profiles are considered. Specific features of the nonlinear interaction regimes are analyzed on the basis of solving numerically a system of equations of the particle motion along with the efficiency of this approach for a single-time run of the particle through the wave packet. In the first part of this work presented here, the peculiarities of the trajectories of individual particles are analyzed. The influence of the shape of the wave packet on the well-known regimes, such as particle trapping by the wave field and particle phase bunching, which leads a non-zero average variation in the pitch angle in an inhomogeneous medium, are considered. It is shown that a long stay of a particle near the separatrix on the phase plane in the region far from the saddle leads to a strong decrease in the pitch angle of the particle in the absence of the trapping as well. This nonlinear regime (directed scattering) is possible for comparatively low initial pitch angles. In this case, the value of the pitch angle decrease depends on the initial phase of the particle. It is shown that the trajectories corresponding to the directed scattering can be regarded as a transitional type of trajectories, between the trajectories of the transit and trapped particles. Quantitative estimates of variations in the pitch angle are obtained, and it is confirmed that the directed scattering and trapping of particles by the wave field can lead to electron precipitation into the loss cone.