We have studied electron kinetic effects on nonlinear plasma waves using 1D PIC simulation. First, electron kinetic effects on electron holes propagating in density homogeneous region is studied. Electron holes (EHs) are known to be generated by streaming instability after magnetotail reconnection and to propagate to Earth’s polar region along the magnetic field line. While propagating, they encounter density inhomogeneity and their structures are changed due to interactions with the density gradient. Passing the density gradient region. We figured out that the oscillation is odd eigenmode trapped in the electron hole (OEM) which is closely related to the electron bouncing motion in EH potential. Potential amplitude of OEM in density inhomogeneity is asymmetric and ions are accelerated backward direction due to this potential difference. As a result, backward propagating ion acoustic waves or ion acoustic solitary waves are formed. We have derived the frequency and shape of OEM using Lewis’s formalism and they show very good agreement with the simulation results.
Second, nonlinear evolution of oblique whistler waves is studied. When wave parameters correspond to non-stochastic region (or O’Neil-like damping region), vortex structures in $x-v_x$ phase space distribution, plateau distribution in parallel velocity distribution and saturation of wave energy and electron energy are commonly observed. The waves and electron energy are saturated in time scale of t∼O(100 $omega_{ce}^{-1}$). Therefore, we conclude that electron parallel energy is increased by Landau-resonance and the energy exchange is saturated after particle trapping is fully developed in those case. On the other hand, the wave parameters in stochastic region, the saturation is prevented by the stochastic change of particle motion. They lead fully thermalized phase space distribution and extreme damping of wave energy. These results imply that very large amplitude oblique whistler waves could be hardly observed in satellite data due to their very rapid damping.
1D PIC 전산모사를 통하여 플라즈마 파동에서 비선형 전자 운동의 효과를 연구하였다. 먼저 밀도 기울기가 있는 영역에서 전자공동에 발생하는 전자 운동 효과를 연구하였다. 전자공동은 지자기꼬리 지역의 자기재결합 현상의 결과로 인한 흐름 불안정성을 통하여 발생한다고 알려져 있으며, 지구 자기력선을 따라 지구극지방으로 이동한다. 이 과정에서 밀도기울기가 있는 영역을 통과하게 되고 구조에 변화를 겪게 된다. 우리는 전기장 분석에서 전자공동의 전위 내부에서 진동하는 전자운동과 밀접한 관련이 있는 기수고유모드를 발견하였다. 밀도기울기 영역에서 생성된 기수고요모드는 비대칭 진폭을 가지고 있으며, 이온은 진폭이 약한 쪽에서 당겨져 강한 쪽으로 밀려나게 된다. 그 결과 전자공동과 반대쪽으로 이온 고립음파가 생성된다. Lewis의 방법을 통하여 기수고유모드의 구조와 진동수를 계산하였으며 전산모사의 결과와 잘 일치하였다.
두번째는 사각 whistler 파동의 비선형 진화와 전자운동 효과를 연구하였다. 파동의 변수가 비추계적인 영역에 속하는 경우 $x-{v_x}$ 의 위상공간에서 소용돌이 구조, 평행속도 분포에서의 고원지역, 파동에너지와 전자에너지 변화의 포화가 공통적으로 확인되었다. 초기 단계에서의 전자의 평행 성분 에너지 증가률은 Landau 공명을 통해 계산됨 값과 잘 일치하며, 따라서 Landau 공명을 통해 에너지 교환이 일어나고 이후 O’Neil-형 감쇠가 일어난 것을 알 수 있다. 반면에 파동 변수가 추계적 영역에 속할 때, 전자의 추계적 변화로부터 이러한 포화현상이 방해를 받는다. 위상공간에서 분포는 열성화되고 파동의 에너지는 매우 급격하게 감소하게 된다. 특히 비추계영역은 공명원뿔각도까지 걸쳐있는데 따라서 매우 큰 사각 whistler 파동이 공명원뿔각도에 가깝게 진행하는 경우 전자의 비추계 운동을 통해 감쇠될 수 있음을 의미한다.
