Ring Current Proton Dynamics Driven by Wave-Particle Interactions During a Nonstorm Period

Abstract

Modeling of pitch angle scattering of ring current protons at interaction with electromagnetic ion cyclotron waves during a nonstorm period was considered very seldom. Therefore it is used correlated observation of enhanced electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves and dynamic evolution of ring current proton flux collected by Cluster satellite near the location L = 4.5 during March 26–27, 2003, a nonstorm period (Dst > –10 nT). Energetic (5–30 keV) proton fluxes are found to drop rapidly (e.g., a half hour) at lower pitch angles, corresponding to intensified EMIC wave activities. As mathematical model is used the non-stationary one-dimensional pitch angle diffusion equation which allows to compute numerically density of phase space or pitch angle distribution of the charged particles in the Earth’s magnetosphere. The model depends on time t, a local pitch angle and several parameters (the mass of a particle, the energy, the McIlwain parameter, the magnetic local time or geomagnetic eastern longitude, the geomagnetic activity index, parameter of the charged particle pitch angle distribution taken for the 90 degrees pitch angle at t = 0, the lifetime due to wave–particle interactions). This model allows numerically to estimate also for different geophysical conditions a lifetime due to wave–particle interactions. It is shown, that EMIC waves can yield decrements in proton flux within 30 minutes, consistent with the observational data. The good consent is received. Comparison of results on full model for the pitch angle range from 0 up to 180 degrees and on the model for the 90 degrees pitch angle is lead. For a perpendicular differential flux of the Earth’s ring current protons very good consent with the maximal relative error approximately 3.23 % is received

Моделирование питч-углового рассеяния протонов кольцевого тока при взаимодействии с электромагнитными ионно-циклотронными (ЭМИЦ) волнами во время магнитоспокойного периода было рассмотрено очень редко. Поэтому используется коррелированное наблюдение усиленных электромагнитных ионно-циклотронных волн и динамической эволюции потока протонов кольцевого тока, собранное спутником Cluster около положения L = 4.5 26–27 марта 2003 г. в магнитоспокойный период (Dst > –10 нТл). Потоки энергичных (5–30 кэВ) протонов спадают быстро (например, за полчаса) для маленьких питч-углов, соответствуя активностям интенсивных ЭМИЦ-вXолн. Как математическая модель используется нестационарное одномерное уравнение питч-угловой диффузии, которое позволяет численно вычислять плотность фазового пространства или питч-угловое распределение заряженных частиц в магнитосфере Земли. Модель зависит от времени t, локального питч-угла и нескольких параметров (массы частицы, энергии, параметра МакИлвейна, магнитного местного времени или геомагнитной восточной долготы, индекса геомагнитной активности, показателя питч-углового распределения заряженных частиц, взятого для питч-угла 90 градусов при t = 0, времени жизни вследствие взаимодействий волна-частица). Эта модель позволяет также численно оценивать для разных геофизических условий время жизни вследствие взаимодействий волна–частица. Показано, что ЭМИЦ-волны могут производить уменьшения в потоке протонов за 30 минут, согласованные с данными наблюдений. Получено хорошее согласие. Проведено сравнение результатов по полной модели для области питч-углов от 0 до 180 градусов и по модели для питч-угла 90 градусов. Получено для перпендикулярного дифференциального потока протонов кольцевого тока Земли очень хорошее согласие с максимальной относительной ошибкой приблизительно 3.23 %.