SUPERTHERMAL ELECTRON DIRECTIONAL FLUXES AND THEIR PITCH-ANGLE - PowerPoint PPT Presentation

SUPERTHERMAL ELECTRON DIRECTIONAL FLUXES AND THEIR PITCH-ANGLE DISTRIBUTIONS IN THE REGION OF THE DIFFUSE AURORA L. ¡GREGORY ¡DETWEILER 1 , ¡GEORGE ¡KHAZANOV 2 , ¡ALEX ¡GLOCER 2 , ¡DAVID ¡SIBECK 2 , ¡ LEVON ¡AVANOV 2 , ¡ELIZABETH ¡HIMWICH 2,3 ¡ 1 SOUTHERN ¡OREGON ¡UNIVERSITY, ¡ASHLAND, ¡OR ¡ 2 HELIOPHYSICS ¡DIVISION, ¡NASA ¡GODDARD ¡SPACE ¡FLIGHT ¡CENTER ¡ 3 YALE ¡UNIVERSITY, ¡NEW ¡HAVEN, ¡CT ¡

OUTLINE • 1. ¡IntroducFon ¡ • 2. ¡Method ¡ • 3. ¡Results ¡ • 4. ¡Conclusion ¡

INTRODUCTION

BACKGROUND – L. GREGORY DETWEILER • Graduated ¡from ¡TualaFn ¡High ¡School, ¡TualaFn, ¡OR ¡2009 ¡ • Studied ¡Physics ¡at ¡the ¡University ¡of ¡Alabama ¡in ¡Huntsville ¡2009 ¡– ¡2012 ¡ • First ¡NASA ¡Internship ¡at ¡Goddard ¡Space ¡Flight ¡Center ¡-­‑ ¡2011 ¡ • Currently ¡studying ¡MathemaFcs ¡at ¡Southern ¡Oregon ¡University ¡2013 ¡– ¡Present ¡ • ParFcipated ¡in ¡a ¡NASA ¡internship ¡this ¡summer ¡at ¡Goddard ¡Space ¡Flight ¡Center ¡

MENTOR – GEORGE V. KHAZANOV • Currently ¡a ¡full ¡member ¡of ¡the ¡Geospace ¡Physics ¡Laboratory ¡at ¡Goddard ¡Space ¡Flight ¡Center ¡ • Principal ¡research ¡goal ¡is ¡to ¡develop ¡an ¡understanding ¡of ¡the ¡physical ¡processes ¡that ¡control ¡the ¡ geospace ¡plasma ¡environment ¡and ¡its ¡interacFon ¡with ¡both ¡natural ¡and ¡man-­‑made ¡bodies ¡in ¡space ¡ • Received ¡Ph.D. ¡in ¡Physics ¡and ¡MathemaFcs ¡at ¡Irkutsk ¡State ¡University, ¡Russia ¡ • Full ¡Tenured ¡Professor ¡of ¡Physics ¡at ¡University ¡of ¡Alaska ¡Fairbanks ¡prior ¡to ¡joining ¡NASA ¡ • Dean ¡of ¡the ¡College ¡of ¡Physics ¡and ¡TheoreFcal ¡Physics ¡Department ¡Chair ¡at ¡Altai ¡State ¡University, ¡Russia ¡ • Chief ¡of ¡the ¡Ionospheric ¡Plasma ¡Physics ¡Laboratory ¡at ¡Irkutsk ¡State ¡University, ¡Russia ¡ • This ¡summer ¡we ¡studied ¡superthermal ¡electrons ¡in ¡the ¡region ¡of ¡the ¡diffuse ¡aurora ¡and ¡their ¡interacFons ¡ with ¡various ¡plasma ¡waves. ¡

WHAT IS THE DIFFUSE AURORA? • The ¡aurora ¡is ¡a ¡visible ¡phenomenon ¡where ¡cosmic ¡rays, ¡solar ¡ wind, ¡or ¡magnetospheric ¡plasma ¡excite ¡or ¡ionize ¡neutral ¡atoms ¡ in ¡the ¡upper ¡atmosphere, ¡which ¡causes ¡a ¡release ¡of ¡photons ¡of ¡ varying ¡wavelengths. ¡ • There ¡are ¡two ¡main ¡kinds ¡of ¡auroras, ¡discreet ¡auroras ¡and ¡ diffuse ¡auroras. ¡ • Discreet ¡auroras ¡are ¡the ¡kinds ¡of ¡auroras ¡that ¡most ¡people ¡ think ¡of, ¡the ¡bright ¡bands ¡of ¡color ¡streaming ¡through ¡the ¡sky. ¡ • The ¡diffuse ¡aurora, ¡however ¡is ¡not ¡as ¡visible ¡as ¡the ¡aurora ¡and ¡ appears ¡as ¡more ¡of ¡a ¡so_ ¡glow, ¡very ¡faint ¡if ¡visible ¡at ¡all. ¡ • This ¡is ¡because ¡the ¡diffuse ¡aurora ¡is ¡created ¡at ¡higher ¡alFtudes ¡ and ¡because ¡there ¡isn’t ¡as ¡much ¡ionizaFon ¡going ¡on ¡in ¡diffuse ¡ auroras ¡as ¡compared ¡to ¡discreet ¡auroras. ¡ • Diffuse ¡auroras ¡are ¡caused ¡mostly ¡by ¡superthermal ¡electrons ¡ ionizing ¡neutral ¡atoms ¡in ¡the ¡upper ¡atmosphere ¡and ¡ plasmasphere. ¡

SUPERTHERMAL ELECTRONS • Superthermal ¡electrons ¡are ¡electrons ¡with ¡an ¡energy ¡range ¡of ¡1 ¡– ¡10,000 ¡eV. ¡ • Superthermal ¡electrons ¡are ¡created ¡as ¡a ¡result ¡of ¡the ¡ionizaFon ¡of ¡neutral ¡parFcles ¡by ¡solar ¡radiaFon ¡ (photoelectrons) ¡and ¡by ¡high ¡energy ¡electrons ¡(secondary ¡electrons). ¡ • Superthermal ¡electrons ¡travel ¡along ¡the ¡magneFc ¡field ¡lines ¡of ¡the ¡Earth ¡in ¡a ¡helical ¡padern ¡with ¡a ¡certain ¡pitc angle. ¡A ¡pitch ¡angle ¡of ¡0° ¡or ¡180° ¡corresponds ¡to ¡an ¡electron ¡travelling ¡directly ¡along ¡the ¡magneFc ¡field ¡line ¡wh pitch ¡angle ¡of ¡90° ¡or ¡270° ¡corresponds ¡to ¡an ¡electron ¡gyraFng ¡around ¡the ¡magneFc ¡field ¡line. ¡ • Because ¡the ¡strength ¡of ¡the ¡Earth’s ¡magneFc ¡field ¡increases ¡as ¡the ¡electrons ¡get ¡closer ¡to ¡the ¡Earth, ¡the ¡electr pitch ¡angle ¡changes ¡as ¡well, ¡approaching ¡90° ¡or ¡270°, ¡depending ¡on ¡which ¡hemisphere ¡it’s ¡approaching. ¡ • At ¡some ¡point ¡the ¡pitch ¡angle ¡reaches ¡90° ¡or ¡270°, ¡and ¡then ¡the ¡electron ¡begins ¡moving ¡backwards ¡back ¡into ¡th magnetosphere. ¡This ¡is ¡called ¡the ¡mirror ¡point. ¡

WHERE ARE THESE SUPERTHERMAL ELECTRONS AND THE DIFFUSE AURORA? • The ¡diffuse ¡aurora ¡is ¡found ¡in ¡the ¡auroral ¡oval, ¡ and ¡is ¡strongest ¡in ¡the ¡post ¡midnight ¡sector. ¡ • Important ¡areas ¡of ¡the ¡Earth’s ¡magnetosphere ¡for ¡ our ¡study ¡include ¡the ¡ionosphere, ¡the ¡ plasmasphere, ¡and ¡the ¡plasmasheet, ¡as ¡these ¡are ¡ the ¡areas ¡that ¡the ¡superthermal ¡electrons ¡we ¡ studied ¡move ¡through ¡as ¡they ¡travel ¡along ¡the ¡ Earth’s ¡magneFc ¡field ¡lines. ¡ • In ¡our ¡study ¡we ¡focused ¡on ¡only ¡two ¡magneFc ¡ field ¡lines, ¡one ¡that ¡lies ¡at ¡a ¡distance ¡of ¡4.6 ¡Earth ¡ radii ¡from ¡the ¡Earth ¡at ¡the ¡magneFc ¡equator, ¡and ¡ one ¡that ¡lies ¡at ¡a ¡distance ¡of ¡6.8 ¡Earth ¡radii ¡from ¡ the ¡Earth ¡at ¡the ¡magneFc ¡equator. ¡

PLASMA WAVES • In ¡the ¡plasma ¡sheet, ¡there ¡are ¡plasma ¡waves ¡that ¡can ¡interact ¡with ¡superthermal ¡electrons ¡via ¡wave ¡ parFcle ¡interacFons. ¡ • We ¡studied ¡the ¡interacFon ¡between ¡superthermal ¡electrons ¡and ¡three ¡plasma ¡waves ¡in ¡parFcular, ¡ electron ¡cyclotron ¡harmonic ¡(ECH) ¡waves, ¡lower ¡bounded ¡chorus ¡whistler ¡(LBC) ¡waves, ¡and ¡upper ¡ bounded ¡chorus ¡whistler ¡(UBC) ¡waves. ¡ • These ¡waves ¡can ¡change ¡the ¡pitch ¡angle ¡of ¡electrons ¡as ¡the ¡electrons ¡travel ¡through ¡them, ¡and ¡can ¡ either ¡cause ¡the ¡electrons ¡to ¡become ¡trapped ¡in ¡a ¡range ¡of ¡moFon ¡such ¡that ¡its ¡mirror ¡point ¡is ¡further ¡ away ¡from ¡the ¡Earth ¡along ¡the ¡magneFc ¡field ¡line, ¡or ¡it ¡can ¡cause ¡the ¡electron’s ¡range ¡of ¡moFon ¡to ¡be ¡ expanded ¡so ¡that ¡its ¡mirror ¡point ¡is ¡closer ¡to ¡the ¡Earth ¡than ¡it ¡was ¡before. ¡ • When ¡an ¡electron’s ¡pitch ¡angle ¡is ¡changed ¡so ¡that ¡it ¡strikes ¡the ¡Earth’s ¡atmosphere ¡and ¡is ¡no ¡longer ¡ trapped ¡in ¡the ¡Earth’s ¡magneFc ¡field, ¡we ¡say ¡that ¡the ¡electron ¡has ¡been ¡moved ¡into ¡the ¡“loss ¡cone”. ¡ • In ¡our ¡study, ¡the ¡loss ¡cone ¡boundary ¡was ¡set ¡at ¡800 ¡km, ¡or ¡roughly ¡the ¡boundary ¡between ¡the ¡ ionosphere ¡and ¡the ¡plasmasphere. ¡

WHY STUDY THE DIFFUSE AURORA, SUPERTHERMAL ELECTRONS, AND PLASMA WAVES? • To ¡increase ¡our ¡understanding ¡of ¡the ¡geospace ¡plasma ¡environment. ¡ • To ¡increase ¡our ¡understanding ¡of ¡plasma ¡and ¡their ¡interacFons ¡with ¡charged ¡parFcles ¡in ¡general. ¡ • To ¡increase ¡our ¡understanding ¡of ¡the ¡mechanisms ¡that ¡produce ¡the ¡aurora. ¡ • The ¡condiFons ¡present ¡in ¡the ¡Earth’s ¡atmosphere ¡are ¡not ¡replicable ¡in ¡a ¡laboratory ¡selng, ¡which ¡ provides ¡a ¡very ¡unique ¡opportunity ¡for ¡research ¡and ¡science ¡that ¡can ¡not ¡be ¡done ¡anywhere ¡else. ¡ • To ¡test ¡whether ¡our ¡developed ¡theories ¡and ¡models ¡of ¡superthermal ¡electrons ¡and ¡their ¡interacFons ¡ with ¡plasma ¡waves ¡and ¡neutral ¡parFcles ¡are ¡correct. ¡

METHOD