Estudo da propagação de ondas eletromagnéticas na região-fonte da radiação quilométrica auroral

Abstract

A magnetosfera terrestre é fonte da chamada Radiação Quilométrica das Auroras (AKR, de Auroral Kilometric Radiation), que se refere ao fenômeno de emissão e amplificação de ondas de rádio nas regiões polares. O mecanismo de amplificação aceito é o maser de elétron-cíclotron. Este prevê valores positivos para o fator de amplificação das ondas quando a função distribuição das partículas do meio apresenta regiões no espaço de velocidades com gradientes majoritariamente positivos. Os eventos observados de AKR estão associados à precipitação de elétrons energéticos, oriundos de subtormentas magnetosféricas, no sentido de linhas de campo magnético convergentes. Os elétrons são acelerados através de um campo elétrico ascendente, e, devido ao efeito de espelhamento magnético, algumas dessas partículas são "refletidas", e outras perdidas no contato com o plasma ionosférico de maior densidade. Esta redução do fluxo de elétrons no sentido ascendente gera a inversão de população na função distribuição necessária para o maser. Neste trabalho, a função distribuição dos elétrons magnetosféricos é modelada utilizando uma distribuição na forma de C-invertido, ou horseshoe. Seu aspecto de "cone de perda" é definido pela hipérbole de perda, prevista quando se acrescenta o campo elétrico ao sistema formado pelo campo magnético terrestre e as partículas. Além disso, aplica-se a teoria magnetoiônica e a linearização do sistema Vlasov-Maxwell de equações para obter o índice de refração do modo extraordinário rápido (X). A expressão para o índice de refração é então utilizada para escrever explicitamente as equações de traçado de raios, que fornecem a evolução temporal da trajetória das ondas ao longo da região-fonte. Para o cálculo da variação da intensidade radiativa ao longo do deslocamento do raio, são considerados os processos de emissão induzida e espontânea, relacionados ao movimento de cíclotron das partículas. Os resultados obtidos mostram que o modelo adotado prevê amplificação substancial de ondas no modo X, a partir da radiação térmica de fundo, corroborando assim as teorias vigentes acerca da geração da AKR.

The Earth’s magnetosphere is source of the Auroral Kilometric Radiation (AKR), which refers to the phenomenon of emission and amplification of radio waves in the polar regions. The accepted amplification mechanism is the electron-cyclotron maser. This mechanism predicts positive values for the wave amplification factor when the particle distribution function of the medium has regions in velocity space with mostly positive gradients. The observed AKR events are associated with the precipitation of energetic electrons, originating from magnetospheric substorms, towards converging magnetic field lines. The electrons are accelerated through an ascending electric field, and, due to the magnetic mirroring effect, some of these particles are "reflected", and others are lost in contact with the ionospheric plasma of higher density. This reduction in the upward flow of electrons generates the population inversion in the distribution function necessary for the maser. In this work, the magnetospheric electrons distribution function is modeled using an inverted-C (or horseshoe) distribution. Its "loss cone" aspect is defined by the loss hyperbola, predicted when an electric field is added to the system formed by the particles and Earth’s magnetic field. Moreover, the magnetoionic theory and the linearization of the Vlasov-Maxwell system of equations are applied to obtain the refractive index of the fast extraordinary mode (X). The expression for the index of refraction is then used to explicitly write the ray tracing equations, which provide the time evolution of the wave trajectory along the source region. To calculate the variation in radiation intensity along the the ray path, the induced and spontaneous emission processes are considered, related to the particles’ cyclotron motion. The results obtained show that the adopted model predicts substantial amplification of waves in the X mode, from background thermal radiation, thus corroborating current theories about the generation of AKR.