Simulação computacional de emissões eletromagnéticas em plasmas espaciais

• Ano de defesa: 2008
• Autor(a) principal: Fernando Jaques Ruiz Simôes Junior
• Orientador(a): Maria Virgínia Alves
• Banca de defesa: José Augusto Bittencourt, Severino Luiz Guimarães Dutra, Rudi Gaelzer
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Geofísica Espacial
• País: BR
• Resumo em Inglês: It is by now well known that electron beams play an important role in generating radio emissions such as commonly observed by spacecraft upstream of the Earth's bow shock and type II and III radio bursts. Electron beams streaming back from Earth's bow shock into the solar wind have been proposed as a possible source for the electron plasma waves observed by spacecraft in the electron foreshock. Recent researche suggest that multiple electron beams could be injected over a period of time. They tend to lose their individual identity to form just a single beam. In Earth's Bow Shock, particle observations have shown that high energy particles have some degree of gyrophase organization. Namely, the velocity distribution of the particle populations in the plane perpendicular to the ambient magnetic field depends on the gyrophase angle. In the first part of this work we solve numerically the nongyrotropic parallel dispersion relation using plasma parameters based on observational data that show a component of phase-bunched electrons upstream from the Earth's bow shock. The importance of nongyrotropic electron distribution in the upstream of the Earth's bow shock is not fully understood. To anticipate the nongyrotropic behavior, we solve numerically the gyrotropic parallel dispersion equation that shows the potential regions of strong coupling when the electron nongyrotropy is introduced. We find that the nongyrotropy can lead to a coupling between modes even when the temperature anisotropy is equal to 1. For a given nongyrotropic angle, the growth rate presents a dependence on the ratio between electron cyclotron and electron plasma frequencies as well as on the temperature anisotropy, known as an important player on determining the growth rates and the regions were instabilities occur. In the second part of this thesis we use an electromagnetic PIC code (KEMPO 1D, modified) to simulate two beams which are injected into a plasma at different times. The first beam disturbs the background plasma and generates Langmuir waves by electron beam-plasma interaction. Subsequently, another beam is inserted in the system and interacts with the first one and with the Langmuir waves to produce electromagnetic radiation. The initial conditions for the background plasma and the electron beams are based on the solar wind and electron foreshock observations. In our model we consider that the first and the second beams (for simple and multiples injections) are, at t=0, fully injected into the system, i.e., the beam occupies all the system; this is necessary to avoid grid effects at the boundaries and gives the possibility of using a simpler model. The results of our simulation show that the first beam can produce electrostatic harmonics of plasma frequency while the second beam modifier the harmonics emission that are produced by the first one. The second beam interacts very fast with the Langmuir waves due to the strong electric field and the phase coupling with the first beam. An increasing of electromagnetic and kinetic energies is also observed.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m17@80/2008/04.22.20.20

Atualmente sabemos que feixes de elétrons desempenham um importante papel no mecanismo de emissões de rádio que são comumente observadas na região acima do arco de choque terrestre e explosões solares tipo II e III. Feixes de elétrons que são injetados de volta no vento solar, a partir do arco de choque terrestre, são uma possível fonte das ondas de plasma observadas pelos satélites nesta região. Pesquisas recentes sugerem que múltiplos feixes de elétrons podem ser injetados em um determinado período de tempo. Estes múltiplos feixes tendem a perder suas identidades individuais para formar um único feixe. No arco de choque terrestre, observações têm mostrado que partículas energéticas possuem algum grau de organização na fase de giro. Isto é, a distribuição de velocidades das partículas no plano perpendicular ao campo magnético ambiente depende do ângulo de giro das partículas. Na primeira parte deste trabalho, resolvemos numericamente a relação de dispersão não girotrópica utilizando parâmetros de plasma baseados em medidas observacionais que mostram o agrupamento de fase dos elétrons acima do arco de choque terrestre. A importância da não girotropia na função de distribuição não está completamente compreendida. Para antecipar o comportamento não girotrópico, resolvemos numericamente a relação de dispersão girotrópica paralela que mostra as possíveis regiões de acoplamento quando a não girotropia é introduzida. Encontramos que a não girotropia pode fazer o acoplamento dos modos mesmo quando o sistema é isotrópico. Para uma determinada não girotropia, a taxa de crescimento apresenta dependência na razão entre as freqüências de plasma e ciclotrônica, bem como na anisotropia da temperatura, conhecida como um importante fator na determinação das instabilidades. Na segunda parte deste trabalho utilizamos um código de partículas eletromagnético (KEMPO 1D modificado) para simular dois feixes de elétrons que são injetados no plasma em diferentes instantes de tempo. O primeiro feixe perturba o plasma ambiente introduzindo ondas de Langmuir através de interação feixe de plasma. Em seguida, o outro feixe é injetado no sistema e interage com o primeiro e com as ondas de Langmuir para produzir radiação eletromagnética. As condições iniciais para os feixes de elétrons e para o plasma ambiente são baseadas em observações do vento solar e região do antechoque terrestre. Em nosso modelo, consideramos que o primeiro e o segundo feixe de elétrons, em $ t=0$ , ocupam todo o sistema; isto é necessário para evitar efeitos numéricos nas grades de contorno e permitir a possibilidade de utilizarmos o modelo mais simples. Os resultados mostraram que o primeiro feixe pode produzir harmônicos da freqüência de plasma e o segundo feixe modifica a emissão dos harmônicos gerados pelo primeiro feixe. O segundo feixe de elétrons interage rapidamente com o intenso campo elétrico das ondas de Langmuir fazendo o acoplamento de fase com o primeiro feixe. Um aumento da energia das componentes eletromagnéticas e da energia cinética também é observado.