Il Nuovo Cimento B (1971-1996)

, Volume 8, Issue 1, pp 35–52 | Cite as

A theory of the van allen belt

  • G. Plzzella
Article

Summary

A theory of the Van Allen belt protons is proposed on the basis that ionospheric particles of the Earth are accelerated by stochastic hydromagnetic waves in a cyclotron resonance mode. Lobs mechanisms are: energy loss by Coulomb interactions and particle loss by charge exchange, Coulomb scattering and wave scattering. A stationary solution of the Fokker-Planck equation in the energy space for the equatorial region is then proposed. The comparison with the available experimental data on the trapped protons shows: a) the ratio of the wave electric field needed to accelerate and the wave magnetic field needed to scatter the particles into the loss cone is equal to the Alfven velocity, as expected; b) the electric field required for the acceleration is of the order of 10 to 100 (j.V/m, depending on the position in space in agreement with direct measurements; c) the Calculated differential energy spectrum for protons describes well the experimental data.

Теория пояса Ван Алле на

Резюме

Развивается теория п ротонов пояса Ван Аллена на основе того, что ионосферные частицы Земли ускоряются стохастическими гид ромагнитными волнам и в моде циклотронного резонанса. Механизмы потери следующие: потеря энергии благодаря ку лоновским взаимодей ствиям и потеря частиц в резул ьтате перезарядки, кулонов ского рассеяния и вол нового рассеяния. Затем пред лагается стационарное решени е уравнения Фоккера-П ланка в энергетическом прос транстве для экваториальной о бласти. Сравнение с им еющимися экспериментальными данными для захваченных прот онов обнаруживает, чт о а) отношение волнового электрического поля, необходимого дл я ускорения, и волново го магнитного поля, необ ходимого для рассеяния частиц в конус потерь, равняе тся скорости Альфвена, как и ожидалось; 6) элект рическое поле, требуе мое для ускорения, составляе т по порядку величины от 10 д о 100 μV/м, в зависимости от положения в простран стве, что согласуется с пря мыми измерениями; с) вы численный дифференциальный энергетический спек тр для протонов описы вает также экспериментальные д анные.

Riassunto

Si propone una teoria per i protoni intrappolati nelle fasce di Van Allen basata su un meccanismo di accelerazione per cui i protoni della ionosf era vengono accelerati mediante interazioni stoeastiehe oon onde magnetoidrodinamiclie. I meccanismi di perdita presi in considerazione sono: perdita di energia per collisioni coulombiane e perdita di particelle per scambio di oarica, diffusione coulombiana e diffusione dovuta alle onde magnetoidrodinamiche. Si presenta tma solnzione dell’equazione di Fokker-Planck per la regione equatoriale. II confronto con i dati sperimentali attualmente disponibili mostra che: a) il rapporto fra il campo elettrico necessario per accelerare i protoni ed il campo magnetico responsabile della diffusione dei protoni medesimi dà, oome ei si aspetta la velocità di Alfvén;b) il campo elettrico necessario per l’accelerazione è dell’ordine di (10-^100) [xV/rn in accordo con misure dirette di campo elettrico; c) lo spettro di energia dei protoni calcolato descrive bene i dati sperimentali.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. (1).
    J. A. Van Allen: IGY, Satellite Kept. 13, Jan. 1961;J. A. Van Allen, G. H. Ludwig, E. C. Eat andC. E. McIlwain:Jet Propulsion,28, 588 (1958).Google Scholar
  2. (2).
    W. N. Hess:The Radiation Belt and Magnetosphere (Waltham, Mass., 1968), p. 522.Google Scholar
  3. (3).
    S. F. Singer:Phys. Bev. Lett.,1, 171, 181 (1958).ADSCrossRefGoogle Scholar
  4. (4).
    M. P. Nakada, J. W. Dungey andW. X. Hess:Journ. Geophys. Res.,70, 3529 (1965).ADSCrossRefGoogle Scholar
  5. (5).
    J. A. Van Allen:Space Science (New York, 1963); W. N. Hess:The Radiation Belt and Magnetosphere (Waltham, Mass., 1968), p. 91.Google Scholar
  6. (6).
    L. A. Frank:Journ. Geophys. Res.,72, 1905 (1967).ADSCrossRefGoogle Scholar
  7. (7).
    D. A. Gurnett, S. D. Shawhn, X. M. Brice andR. L. Smith:Journ. Geophys. Res.,70, 1665 (1965).ADSCrossRefGoogle Scholar
  8. (8).
    G. Pizzella: University of Iowa Report 70/9;G. Pizzella, G. Knorr andB. A. Randall: University of Iowa Report 70/10.Google Scholar
  9. (9).
    R. A. Helliwell andT. F. Bell:Journ. Geophys. Res.,65, 1839 (1960);E. N. Parker:Journ. Geophys. Res.,66, 2673 (1961);V. N. Tsytovich:Sov. Phys. Usp.,9, 370 (1966);P. J. Kellogg:Plan. Space Sci.,10, 165 (1963);F. L. Scarf, W. Bernstein andR. W. Fredrichs:Journ. Geophys. Res.,70, 9 (1965);T. H. Stix:Phys. Fluids,7, 1960 (1964);P. Sturrock:Phys. Rev.,141, 186 (1966);C. F. Kennel andF. Engelmann.-Phys. Fluids,9, 2377 (1966).ADSCrossRefGoogle Scholar
  10. (10).
    See, for instance, the review paper byT. Saito:Space Sci. Rev.,10, 319 (1969);D. A. Gurnett, G. W. Pfeiffer, R. R. Anderson, S. R. Mosier andD. P. Cauffman:Journ. Geophys. Res.,74, 4631 (1969);C. T. Russell, R. E. Holzer andE. J. Smith:Journ. Geophys. Res.,75, 755 (1970).ADSCrossRefGoogle Scholar
  11. (11).
    A. M. Lenchek:Radiation Trapped in the Earth’s Magnetic Field, edited byB. M. McCormac, (Dordrecht, 1965) p. 287.Google Scholar
  12. (12).
    C. R. Chappell, K. K. Harris andG. W. Sharp:Journ. Geophys. Res.,75, 3848 (1970).ADSCrossRefGoogle Scholar
  13. (13).
    R. C. Wentworth, W. M. McDonald andS. F. Singer. -Phys. Fluids,2, 499 (1959).MathSciNetADSCrossRefGoogle Scholar
  14. (14).
    R. L. Swisher andL. A. Frank:Journ. Geophys. Res.,73, 5665 (1968).ADSCrossRefGoogle Scholar
  15. (15).
    H. Liemohn:Journ. Geophys. Res.,66, 3593 (1961).ADSCrossRefGoogle Scholar
  16. (16).
    A. J. Dragt:Journ. Geophys. Res.,66, 1641 (1961).ADSCrossRefGoogle Scholar
  17. (17).
    L. A. Frank andH. D. Owens:Journ. Geophys. Res.,75, 1269 (1970);L. R. Davis andJ. M. Williamson:Radiation Trapped in the Earth’s Magnetic Field, edited byB. M. McCormac (Dordreeht, 1966), p. 215;S. M. Krimigis andT. P. Armstrong:Journ. Geophys. Res.,71, 4641 (1966).ADSCrossRefGoogle Scholar
  18. (18).
    G. Pizzella andL. A. Frank:Journ. Geophys. Res.,76, 88 (1971).ADSCrossRefGoogle Scholar
  19. (19).
    R. W. Fillius:Journ. Geophys. Res.,71, 97 (1966).ADSCrossRefGoogle Scholar
  20. (20).
    R. K. Burton, C. T. Russell andC. R. Chappell:Journ. Geophys. Res.,75, 5582 (1970).ADSCrossRefGoogle Scholar
  21. (21).
    G. Pizzella andB. A. Randall:Journ. Geophys. Res.,76, 2306 (1971).ADSCrossRefGoogle Scholar
  22. (22).
    W. I. Axfokd:Planet. Space Sci.,12, 45 (1964).ADSCrossRefGoogle Scholar
  23. (23).
    J. D. Mihalov andR. S. White:Journ. Geophys. Res.,71, 2207 (1966).ADSCrossRefGoogle Scholar
  24. (24).
    A. J. Dessler, W. E. Francis andE. N. Pabker:Journ. Geophys. Res.,65, 2715 (1960).ADSCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Società Italiana di Fisica 1972

Authors and Affiliations

  • G. Plzzella
    • 1
  1. 1.Laboratorio Plasma nello Spazio del C.N.R.Istituto di Fisica dell’UniversitaLeece

Personalised recommendations