We examine cyclotron resonant interactions of radiation belt electrons with VLF chorus, plasmaspheric ELF hiss and electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves. Bounce-averaged diffusion rates depend on wave mode, equatorial pitch-angle, electron energy and L-shell. As well, diffusion rates can be sensitive to the latitudinal distributions of particle density and wave power. For different configurations of the plasmasphere, we calculate electron precipitation loss timescales due to combined scattering by VLF chorus, ELF hiss and EMIC waves.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.3
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pp.329-347
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2018
The Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method has proved to have great potentials in dealing with the wave-structure interactions. Compared with the Weakly Compressible SPH (WCSPH) method, the ISPH approach solves the pressure by using the pressure Poisson equation rather than the equation of state. This could provide a more stable and accurate pressure field that is important in the study of wave-structure interactions. This paper improves the solid boundary treatment of ISPH by using a high accuracy Simplified Finite Difference Interpolation (SFDI) scheme for the 2D wave-structure coupling problems, especially for free-moving structure. The proposed method is referred as the ISPH_BS. The model improvement is demonstrated by the documented benchmark tests and laboratory experiment covering various wave-structure interaction applications.
Nonthermal radiation from supernova remnants (SNRs) provides observational evidence and constraints on the diffusive shock acceleration (DSA) hypothesis for the origins of Galactic cosmic rays (CRs). Recently it has been recognized that a variety of plasma wave-particle interactions operate at astrophysical shocks and the detailed outcomes of DSA are governed by their complex and nonlinear interrelationships. Here we calculate the energy spectra of CR protons and electrons accelerated at Type Ia SNRs, using time-dependent, DSA simulations with phenomenological models for magnetic field amplification due to CR streaming instabilities, Alf$\acute{e}$enic drift, and free escape boundary. We show that, if scattering centers drift with the Alf$\acute{e}$en speed in the amplified magnetic fields, the CR energy spectrum is steepened and the acceleration efficiency is significantly reduced at strong CR modified SNR shocks. Even with fast Afv$\acute{e}$nic drift, DSA can still be efficient enough to develop a substantial shock precursor due to CR pressure feedback and convert about 20-30% of the SN explosion energy into CRs. Since the high energy end of the CR proton spectrum is composed of the particles that are injected in the early stages, in order to predict nonthermal emissions, especially in X-ray and ${\gamma}-ray$ bands, it is important to follow the time dependent evolution of the shock dynamics, CR injection process, magnetic field amplification, and particle escape. Thus it is crucial to understand the details of these plasma interactions associated with collisionless shocks in successful modeling of nonlinear DSA.
Cai, Guozhen;Luo, Min;Wei, Zhaoheng;Khayyer, Abbas
Ocean Systems Engineering
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v.12
no.3
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pp.285-300
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2022
This paper adopts the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) open-source code SPHinXsys to study the solitary wave interaction with coastal structures. The convergence properties of the model in terms of particle size and smoothing length are tested based on the example of solitary wave propagation in a flat-bottom wave flume. After that, the solitary wave interactions with a suspended submerged flat plate and deck with girders are studied. The wave profile and velocity field near the surface of the structures, as well as the wave forces exerted onto the structures are analyzed.
Most high energy cosmic rays (CRs) are thought to be produced by diffusive shock acceleration (DSA) in supernova remnants (SNRs) within the Galaxy. Plasma and MHD simulations have shown that the self-excitation of MHD waves and amplification of magnetic fields via plasma instabilities are an integral part of DSA for strong collisionless shocks. In this study we explore how plasma processes such as plasma instabilities and wave-particle interactions can affect the energy spectra of CR protons and electrons, using time-dependent DSA simulations of SNR shocks. We demonstrate that the time-dependent evolution of the shock dynamics, the self-amplified magnetic fields and $Alfv{\acute{e}nic$ drift govern the highest energy end of the CR energy spectra. As a result, the spectral cutoffs in nonthermal X-ray and ${\gamma}$-ray radiation spectra are regulated by the evolution of the highest energy particles, which are injected at the early phase of SNRs. We also find that the maximum energy of CR protons can be boosted significantly only if the scale height of the magnetic field precursor is long enough to contain the diffusion lengths of the particles of interests. Thus, detailed understandings of nonlinear wave-particle interactions and time-dependent DSA simulations are crucial for understanding the nonthermal radiation from CR acceleration sources.
Most of high energy cosmic rays (CRs) are thought to be produced by diffusive shock acceleration (DSA) at supernova remnants (SNRs) within the Galaxy. Fortunately, nonthermal emissions from CR protons and electrons can provide direct observational evidence for such a model and place strong constraints on the complex nonlinear plasma processes in DSA theory. In this study we calculate the energy spectra of CR protons and electrons in Type Ia SNRs, using time-dependent DSA simulations that incorporate phenomenological models for some wave-particle interactions. We demonstrate that the time-dependent evolution of the self-amplified magnetic fields, Alfv$\acute{e}$nic drift, and escape of the highest energy particles affect the energy spectra of accelerated protons and electrons, and so resulting nonthermal radiation spectrum. Especially, the spectral cutoffs in X-ray and ${\gamma}$-ray emission spectra are regulated by the evolution of the highest energy particles, which are injected at the early phase of SNRs. Thus detailed understandings of nonlinear wave-particle interactions and time-dependent DSA simulations of SNRs are crucial in testing the SNR hypothesis for the origin of Galactic cosmic rays.
The dynamics of the outer zone radiation belt has received a lot of attention mainly due to the correlation between the occurrence of enhancing relativistic electron flux and spacecraft operation anomalies or even failures (e.g., Baker et al. 1994). Relativistic electron events are often observed during great storms associated with ultra low frequency (ULF) waves. For example, a large buildup of relativistic electrons was observed during the great storm of March 24, 1991 (e.g., Li et al. 1993; Hudson et al. 1995; Mann et al. 2013). However, the dominant processes which accelerate magnetospheric radiation belt electrons to MeV energies are not well understood. In this paper, we present observations of Pc5 ULF waves in the recovery phase of the Bastille day storm of July 16, 2000 and electron and proton flux simultaneously oscillating with the same frequencies as the waves. The mechanism for the observed electron and proton flux modulations is examined using ground-based and satellite observations. During this storm time, multiple packets of discrete frequency Pc5 ULF waves appeared associated with energetic particle flux oscillations. We model the drift paths of electrons and protons to determine if the particles drift through the ULF wave to understand why some particle fluxes are modulated by the ULF waves and others are not. We also analyze the flux oscillations of electrons and protons as a function of energy to determine if the particle modulations are caused by a ULF wave drift resonance or advection of a particle density gradient. We suggest that the energetic electron and proton modulations by Pc5 ULF waves provide further evidence in support of the important role that ULF waves play in outer radiation belt dyanamics during storm times.
The Earth's outer radiation belt has long received considerable attention mainly because the MeV electron flux in the belt varies often dramatically and at various time scales. It is now widely accepted that the wave-particle interaction is one of the major mechanisms responsible for such flux variations. The wave-particle interaction can accelerate electrons to MeV energies, explaining the observed flux increase events, and can also scatter the electrons' motion into the loss cone, resulting in atmospheric precipitation and thus contributing to flux dropouts. In this paper, we provide a review of the current state of research on relativistic electron scattering and precipitation due to the interaction with electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves in the inner magnetosphere. The review is intended to cover progress made over the last ~15 years in the theory and simulations of various issues, including quasilinear resonance diffusion, nonlinear interactions, nonresonant interactions, effects of finite normal angle on pitch angle scattering, effects due to rising tone emission, and ways to scatter near-equatorial pitch angle electrons. The review concludes with suggestions of a few promising topics for future research.
Energy spectra of electron microbursts from 170 keV to 340 keV have been measured by the solid-state detectors aboard the low-altitude (680 km) polar-orbiting Korean STSAT-1 (Science and Technology SATellite). These measurements have revealed two important characteristics unique to the microbursts: (1) They are produced by a fast-loss cone-filling process in which the interaction time for pitch-angle scattering is less than 50 ms and (2) The e-folding energy of the perpendicular component is larger than that of the parallel component, and the loss cone is not completely filled by electrons. To understand how wave-particle interactions could generate microbursts, we performed a test particle simulation and investigated how the waves scattered electron pitch angles within the timescale required for microburst precipitation. The application of rising-frequency whistler-mode waves to electrons of different energies moving in a dipole magnetic field showed that chorus magnetic wave fields, rather than electric fields, were the main cause of microburst events, which implied that microbursts could be produced by a quasi-adiabatic process. In addition, the simulation results showed that high-energy electrons could resonate with chorus waves at high magnetic latitudes where the loss cone was larger, which might explain the decreased e-folding energy of precipitated microbursts compared to that of trapped electrons.
Electron microbursts, energetic electron precipitation having duration less than 1 sec, have been thought to be generated by chorus wave and electron interactions. While the coincidence of chorus and microburst occurrence supports the wave-particle interaction theory, more crucial evidences have not been observed to explain the origin of microbursts. We propose the measurement of energy dispersion of microbursts could be an evidence supporting wave-particle theory. During chorus waves propagate along magnetic field, the resonance condition should be satisfied at different magnetic latitude for different energy electrons. If we observed electron microbursts at low altitude, the arrival time of different energy electrons should make unique dispersion structures. In order to observe such energy dispersion, we need a detector having fast time resolution and wide energy range. Our study is motivated from defining the time resolution and energy range of the detectors required to measure microburst energy dispersions. We performed test particles simulation to investigate how electrons interact with simple coherent waves like chorus waves. We compute a large number of electron's trajectories and successfully produce energy dispersion structures expected when microbursts are observed with 10 msec time resolution detectors at the altitude of 600 km. These results provide useful information in designing electron detectors for the future mission.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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