Влияние пространственного распределения заряда в модельном источнике квазиэлектростатических свистовых волн на эффективную длину короткой приёмной антенны

Данная работа является продолжением статьи [1], в которой на основе теории антенн в плазме было показано, что эффективная длина leff приёмной дипольной антенны может быть значительно больше её геометрической длины при приёме квазиэлектростатических хоровых излучений, распространяющихся вблизи резонансного конуса. Для упрощения расчёта leff было предложено использовать модельный («эффективный») источник таких излучений, т.к. учёт всех свойств истинного источника, определяемых нелинейными процессами взаимодействия волн и заряженных частиц в протяжённой области пространства, привёл бы к неоправданно громоздким вычислениям. В данной работе проанализирована зависимость эффективной длины приёмной антенны, размещённой на космическом аппарате, от параметров пространственного распределения заряда в модельном источнике квазиэлектростатических хоровых излучений. Установлено, что длина leff уменьшается по степенному закону (с показателем -1/2) с увеличением расстояния вдоль резонансного конуса групповой скорости от модельного источника до приёмной антенны. Эта зависимость справедлива вплоть до расстояния, на котором эффективная длина становится порядка геометрической. При больших расстояниях поле излучения теряет резонансный характер из-за возбуждения электромагнитной (квазипродольной) волны. Показано, что в условиях магнитосферы Земли используемое приближение может оставаться справедливым вплоть до расстояний порядка длины геомагнитной силовой линии, что подтверждает важность обсуждаемого эффекта для корректной интерпретации данных электрических волновых измерений в свистовом диапазоне частот. Также показано, что длина leff изменяется не более чем на 10% при изменении характерного масштаба спектра распределения заряда вдоль модельного источника в пределах Δ∼(0,1–1,0) kobs, где волновое число kobs соответствует наблюдаемому спектральному максимуму излучения на данной частоте.

На английском языке
Impact of the Space Charge Distribution in the Model Source of Quasi-Electrostatic Whistler Mode Waves on the Effective Length of a Short Receiving Antenna
Shirokov E.A.
Demekhov A.G.

In our previous paper [1] it was shown, using the theory of antennas in plasmas, that the effective length leff of a receiving dipole antenna can be much larger than its geometric length in case quasi-electrostatic chorus emissions propagating close to the resonance cone are received. In order to simplify calculations of leff, it was proposed to use a model ("effective") source of such emissions because taking into account all of the real source properties (that are determined by the nonlinear processes of interaction between waves and charged particles in a wide region of space) would lead to unreasonably cumbersome calculations. The present paper analyzes how thern effective length of the spacecraft-borne receiving antenna depends on the parameters of the spatial distribution of a charge in the model source of quasi-electrostatic chorus emissions. It is found that the length leff decreases as a power function (with exponent -1/2) as a distance (along the group velocity resonance cone) between the model source and the receiving antenna goes up. This relationship is correct up to the distance at which the effective length becomes of the order of the geometric length. At larger distances, the radiation field loses its resonant nature due to the excitation of an electromagnetic (quasi-longitudinal) wave. It is shown that under the conditions of the Earth's magnetosphere, the approximation we used can remain valid up to distances of the order of the geomagnetic field line length, which confirms the importance of the discussed effect for correct interpretation of the electrical wave measurement data in the whistler-mode frequency range. It is also shown that the length leff changes by less than 10% when the characteristic scale of spectrum of the charge distribution along the model source varies as Δ∼(0.1–1.0) kobs, where the wave number kobs corresponds to the observed spectral maximum of radiation at a given frequency.