O maser de elétron-cíclotron como mecanismo gerador da radiação quilométrica das auroras

Abstract

Investigamos a possibilidade de amplificação de ondas eletromagnéticas no plasma situado nas proximidades dos pólos geomagnéticos a uma altitude de até cerca de cinco raios terrestres. Nesta região ocorre o fenômeno conhecido como "Radiação Quilométrica das Auroras", o qual é uma conseqüência da interação entre o vento solar e a magnetosfera. É feita inicialmente uma ampla revisão das características observacionais conhecidas do fenômeno. Em seguida, é discutido o maser de elétron-cíclotron como possível mecanismo gerador para o fenômeno. Neste sentido, é feita inicialmente uma revisão dos principais trabalhos teóricos, os quais utilizaram o mecanismo de maser na sua formulação de freqüência complexa. Por fim, principia-se um estudo da Radiação Quilométrica das Auroras fazendo uso do maser na formulação de vetor de onda complexo. Os parâmetros físicos necessários para os cálculos de amplificação foram obtidos a partir de um modelo especialmente criado, o qual reproduz de forma aproximada as condições existentes na região aurora!, supondo inclusive um particular gradiente de densidade na direção perpendicular ao campo geomagnético. Os elementos do tensor dielétrico são calculados na aproximação de plasma localmente homogêneo e a função de distribuição considerada consiste na soma de uma maxwelliana de baixa temperatura mais uma cone-de-perda do tipo Dory-Guest-Harris relativística. A relação de dispersão é resolvida exatamente, mantendo-se todos os harmônicos e ordens de raio de Larmor necessários para garantir a convergência da solução. Foram reali zados também cálculos de traçados de raios na aproximação da óptica geométrica através do método de Poeverlein. Constatou-se que quando a razão ent re as freqüências de pla.sma e de cíclotron elet rônicas é Wpe/De < O, 1, as ondas que se propagam no modo ('X t raordinário rápido são amplificadas em freqüências muito próximas à freqüência. de cíclo t ron eletrônica e em ângulos próximos à perpendicular ao campo geomagnético. No caso oposto, Wpe/De > O, 1, são necessários valores cada vez maiores da componente do vetor de onda paralela ao campo magnético para. ocorrer amplificação, a qual é progressivamente menor. Os cálculos ele traçados ele raios mostraram que a escala espacial de variação de parâmetros, perpendicularmente ao campo magnético, é um fator muito importante na amplificação, e que a distância. necessária para uma dada amplificação pode se reduzir substancialmente quando aumenta o gradiente de densidade.

We investigate the possibility of electromagnetic wave amplification in the plasma situated over the geomagnetic peles up to a height around five earth radii. In this region occurs the most intense wave emission phenomenon in the terrestrial magnetosphere, known as "Aurora! Kilometric Radiation", which is a consequence of the solar wind-magnetosphere interaction. Initially, we make a comprehensive review on the known observational characteristics of the phenomenon. Next, the electron-cyclotron maser is discussed as a possible generation mechanism for the phenomenon, anel a review is made on the most important theoretical works, which applied the maser in the complex frequency formulation. We then begin a study on the Auroral Kilometric Radiation applying the maser mechanism in its complex wave frequency formulation . The physical parameters needed for the calculations were obtained from a particular model, especially created to approximately reproduce the real conditions in the aurora! zone, taking into account even a particular density gradient, perpendicular to the geomagnetic field. The components of the dielectric tensor are calculated in the locally homogeneous plasma approximation and the electron distribution function is taken as the sum of a cold maxwellian plus a relativistic Dory-Guest-Harris distribuition. The dispersion relation is exactly solved with all harmonics and powers of Larmor radius needed for the convergency of the solutions. We have also clone ray-tracing studies in the geometrical opti cs approximation, using the Poeverlein's method. We have found Ll1at , wh en Lhe electronic plasma to cyclotron frequencies ratio is Wpe/De < 0.1, the waves t hat propagatc in the fast extraordinary mode are amplified at frequencies very near to Lhe c.\·c lot ron frequency anel in the quasi-perpendi cular direction of the geomagnetic field. On t.hc olhcr hand , c.v·PE/De > 0.1 , the component of the wave vector parallel to the magnet i c fi eld musL have larger values for the amplification to occur, progressively smaller in valu e. The ray-L racing st udies have shown that the spatial scale of the inhomogeneity, perp endi cular to the magnetic field , is a very important factor in the amplification, anel that the cli stance to obtain a given amplification can be substantially reduced when the clensity gra.client is increasecl.