Влияние эффектов распространения свистовых волн в магнитосфере Земли на их циклотронное усиление

Исследуются особенности циклотронного усиления свистовых волн при их распространении в магнитосфере Земли при наличии крупномасштабных плазменных неоднородностей, таких как плазмопауза и плазменные дакты. Распространение волн рассматривается в рамках уравнений геометрической оптики с использованием профилей распределения холодной плазмы, измеренных на спутниках Van Allen Probes. Исследовано изменение амплитуды сигналов, обусловленное циклотронным взаимодействием волн и энергичных электронов с анизотропной функцией распределения. Инкремент циклотронной неустойчивости вычисляется вдоль траектории распространения волны с учётом изменяющегося волнового вектора для заданной аналитически функции распределения энергичных электронов. Показано, что в случае каналированного распространения внутри дакта или вблизи плазмопаузы частотный профиль однопроходного усиления примерно совпадает с частотным профилем инкремента циклотронной неустойчивости в экваториальной области для малых (|Θ0|≲30°) начальных углов между волновым вектором и магнитным полем и относительно небольших (W0≲15 кэВ) энергий электронов, а для старта под большими углами и больших энергий полоса усиления расширяется в область более высоких частот. В случае неканалированного распространения эффективность циклотронного взаимодействия заметно ниже, а частотный профиль однопроходного усиления отличается от экваториального профиля инкремента циклотронной неустойчивости: эффективнее усиливаются волны, начальный волновой вектор которых направлен к Земле, и эта асимметрия увеличивается с ростом энергии электронов.

На английском языке
On the influence of propagation properties of whistler-mode waves in the Earth's magnetosphere on their cyclotron amplification
Pasmanik D.L.
Demekhov A.G.

We study the properties of the cyclotron amplification of whistler-mode waves during their propagation in the Earth's magnetosphere in the presence of large-scale density inhomogeneities such as the plasmapause or density ducts. Wave propagation is considered within the framework of the geometrical optics with the use of cold plasma density profiles measured onboard Van Allen Probes satellites. Wave amplitude variation due to the cyclotron interactions with energetic electrons having an anisotropic distribution function is studied. The cyclotron growth rate is calculated along the wave trajectory taking into account the wave vector variation for a given analytical distribution function of energetic electrons. We show that in the case of ducted propagation in a density duct or near the plasmapause the frequency dependences of the one-hop wave gain and the local growth rate in the equatorial region approximately coincide with each other for low initial wave normal angles (|Θ0|≲30°) and relatively low energies (W0≲15 keV). The amplification band expands towards the higher frequencies for higher initial propagation angles and electron energies. In the case of unducted propagation, the efficiency of cyclotron interactions is noticeably lower, and the frequency dependences of the one-hop wave gain and the equatorial growth rate differ: the waves having the initial wave angle directed towards the Earth are amplified much better, and this asymmetry increases with increasing electron energy.