Emissão, propagação e amplificação da radiação quilométrica das auroras nas subcavidades aurorais

Abstract

O presente trabalho investiga a propagação e amplificação de ondas eletromagnéticas no plasma localizado nas proximidades dos pólos geomagnéticos, a altitudes não muito superiores a três vezes o raio da Terra. O fenômeno estudado é conhecido como Radiação Quilométrica das Auroras (AKR - Auroral Kilometric Radiation), a mais intensa das várias emissões que podem surgir em decorrência da interação entre o vento solar e a magnetosfera terrestre. Inicialmente são abordadas algumas das principais características conhecidas dessa emissão, através de uma revisão observacional do fenômeno. O maser de elétron-ciclotron é então discutido como um possível mecanismo gerador da AKR. Faz-se uso deste mecanismo para o estudo da propagação e amplificação da Radiação Quilométrica das Auroras, sendo os parãmetros físicos necessários para esse estudo obtidos de um modelo físico baseado no trabalho de Chiu & Shulz (1978) [1] que reproduz aproximadamente as condições do plasma na região fonte. Inclui-se no modelo os gradientes perpendiculares ao campo magnético ambiente, com variações em curta escala para a densidade, chamadas de subcavidades aurorais. As componentes do tensor dielétrico do plasma são calculadas para uma distribuição que consiste em uma soma de uma Maxwelliana, que descreve os elétrons frios, e uma cone-de-perda do tipo DGH relativística para os elétrons energéticos, sendo utilizada a aproximação localmente homogênea. É feito um estudo de traçado de raios por meio das equações da ótica geométrica e em cada ponto da trajetória da onda é calculada a emissividade espectral. Através da equação de transferência, obtém-se o fator de amplificação da onda enquanto ela se propaga pela região fonte. Se constata que a inclusão da emissividade do meio no estudo de traçado de raios aumenta o fator de amplificação. Porém, esse aumento não é suficiente para explicar os níveis de amplificação normalmente observados. Em contraponto, conclui-se que a inclusão de variações de curta escala (na direção perpendicular ao campo magnético) na densidade e demais parãmetros do plasma da região fonte, pode ser um fator muito importante na explicação desses níveis de amplificação.

The present work investigates the propagation and amplification of electromagnetic waves in a plasma localized in the vicinity of the geomagnetic poles, at heights not much greater than three times the Earth's radius. The phenomena studied is known as the Aurorai Kilometric Radiation (AKR), the strongest of the various types of emission that can occur as a consequence of the interaction of the solar wind and the terrestrial magnetosphere. Initially some of the main known characteristics of this emission are discussed, including a review of the literature on the observational features of the phenomena. The electron cyclotron maser mechanism is then discussed as a possible generator mechanism for the AKR. This mechanism is then utilized in order to study the propagation and amplification of the Aurorai Kilometric Radiation, the physical parameters necessary for this study being obtained from a physical model based in the work of Chiu & Schultz (1978), which approximately reproduces the plasma conditions in the source region. The model includes the gradients perpendicular to the ambient magnetic field, with small scale variations of the density, called auroral subcavities. The componente of the plasma dielectric tensor are calculated for one distribution which consists in a summation of a Maxwellian, which describes cold electrons, and a relativistic DGH distribution for the energetic loss-cone electrons, being used the locally homogeneous approximation. A ray-tracing study is done using the geometrical optics equations, and at each point along the wave trajectory the spectral emissivity is calculated. By means of the transfer equation, the wave amplification factor is obtained for as long as the wave propagates in the source region. It is verified that the inclusion of the emissivity of the medium in the ray tracing calculation enhances the amplification factor. However, the increase obtained is not sufficient to expiam the amplification leveis currently observed. On the other hand, it is concluded that the inclusion of small scale variations (in the direction perpendicular to the magnetic field) in the density and other plasma parameters in the source region, may be an important factor in the explanation of the observed amplification leveis.