Energetic electrons in the Earth’s radiation belts have not only a great effect on space technology and ground-based systems but also have important physics, such as their formation, acceleration, and losses. Electromagnetic Ion Cyclotron (EMIC) waves generated through the temperature anisotropy of hot ring current ions resonantly interact with these energetic electrons, leading their pitch angles to the loss cone and subsequently causing precipitation into the atmosphere. This wave-particle interaction can be dealt with through theoretical and statistical approaches, specifically the Fokker-Planck diffusion equation. Hence, this dissertation presents a comprehensive study of the pitch-angle diffusion and scattering of energetic electrons caused by EMIC waves with the calculation of the pitch-angle diffusion rates, loss timescales and numerical simulations.
We analytically calculated the bounce-averaged pitch-angle diffusion coefficients and precipitation timescales of electrons related to He-band and H-band EMIC waves at the prevalent regions of EMIC waves and the EMIC-driven precipitation of magnetic L shell parameters when equal to 4, 6, and 8 with respect to the geomagnetic activity using quasi-linear Fokker-Planck formulae, the Tsyganenko 04 (T04) magnetic field model, and a wave spectra model stemming from observations. The results provide pitch-angle diffusion coefficients enhanced by up to several orders of magnitude and lower electron energies resonant with EMIC waves compared to those based on an earlier dipole model. We suggest that a realistic field model such as the T04 model should be used for the calculation of bounce-averaged diffusion coefficients. A reduction in the magnetic field strength is the main cause of the enhanced diffusion coefficients and resonant energies estimated with the T04 model relative to those determined when using the dipole model. The bounce-averaged diffusion coefficients were highly proportional to the inversion of the equatorial magnetic field strength, and we found that scaling the diffusion coefficients with the equatorial magnetic field strength is a good approximation to account for the effect of a realistic field model during the diffusion modeling process. The energetic electron flux was numerically simulated using the Radiation Belt Environment (RBE) model, incorporating the pitch-angle diffusion caused by EMIC waves for the geomagnetic storm event of 23 - 27 October 2002. This result showed remarkable decreases in the energetic (1.8 - 9 MeV) electron flux during the storm event, compared to those without EMIC waves. Furthermore, the energetic electron flux has a comparable levels with those observed from SAMPEX spacecraft. We hence verified that EMIC waves cause the loss of energetic electrons in the radiation belts by the pitch-angle diffusion of these energetic electrons. We expect that our study will contribute to better space weather forecasting and climate modeling.
지구 방사선대 (radiation belt)의 초고온 (100억℃ 이상) 전자 (energetic electron)는 해로운 방사능 효과로 우주 산업과 지표기반 시스템 모두에 큰 영향을 미친다. 이러한 초고온 전자의 형성과 손실은 중요한 물리적 과정을 담고 있다. 초고온 전자는 자기력선을 따라서 운동하며, 매우 낮은 피치각의 전자는 지구 대기로 유입되어 방사선대로부터 사라지게 된다. 피치각은 자기장 방향 속도와 전체 속도 사이의 각도이다. 고온 (1 ~ 10억℃)의 이온들 에 의해 생성되는 EMIC 파동 (electromagnetic ion cyclotron waves) 은 방사선대의 초고온 전자와 공명, 상호작용하여 피치각 (pitch-angle)을 변화시켜 지구 대기권으로 손실을 일으킨다. 이러한 파동과 입자의 상호작용은 확산 방정식 (Fokker-Planck equation) 이라는 이론적, 통계적 방법으로 다룰 수 있다. 여기서, 이 학위 논문은 확산 계수를 계산하고 전산모사를 통하여 EMIC 파동에 의한 초고온 전자의 손실에 대한 포괄적인 연구내용을 제시한다.
이 논문은 확산 계수 계산에서 사실적인 지자기 모델을 사용해야 한다는 것을 보여 준다. 준선형 (quasi-linear) 이론과 사실적인 지자기 모델 (Tsyganenko 04 model)을 이용하여, EMIC에 의한 초고온 전자의 피치각 확산계수와 손실시간을 계산하였다. EMIC으로 인해 지구대기로 초고온 전자의 손실이 많은 일어나는 영역을 선택하였다. 이에 따른 결과는 기존의 쌍극자 지자기 모델에 비해, 수 천 배 이상 강화된 피치각 확산 계수를 제시하였다. 또한 EMIC 파동과 상호작용 할 수 있는 전자의 공명 에너지가 낮아진다는 것을 보여주었다. 사실적인 지자기 모델 사용에 따른 자기상 세기의 감소가 이러한 확산 계수 강화와 공명에너지 감소의 주된 원인으로 밝혀졌다. 확산 계수는 지자기 적도면 자기장 세기에 반비례하는 양상을 보였다. 이 현상을 통하여 본 연구는 사실적인 자기장 효과를 확산계수에 근사적으로 반영할 수 있음을 제시하였다. 후속 연구로써, EMIC 파동에의 한 전자의 손실 효과를 RBE (Radiation Belt Environment) 모델에 삽입하여 전산모사를 수행하였다. RBE 모델은 초고온 전자의 확산방정식을 계산하는 모델이다. 전산모사 기간은 2002년 10월 23일부터 4일 동안 발생한 지자기 폭풍현상을 선택하였다. 이러한 전산모사 연구를 통하여 EMIC 파동에 의한 초고온 전자 유속의 뚜렷한 감소를 보여 주었다. 또한 감소한 유속은 SAMPEX 위성에서 관측된 초고온 유속과 비슷한 정도로 산출되었다. 따라서, 이 논문은 EMIC 파동이 피치각 확산을 통해 지구 방사선대에서 초고온 전자의 손실을 일으킨다는 것을 입증하였다. 이 연구는 향후 더 나은 우주기상, 기후 예보 모델에 기여 할 것으로 예상된다.
