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Electromagnetic radiation from upper-hybrid wave turbulence in inhomogeneous solar plasmas

C Krafft, A S Volokitin2020年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

Type III solar radio bursts have been commonly observed in the solar wind and coronal plasmas. Electron beams accelerated in the Sun's atmosphere generate weakly magnetized Langmuir (upper-hybrid) wave turbulence producing in turn electromagnetic emissions at the electron plasma frequency ωp and its harmonic 2ωp, via successive processes involving interactions between the background plasma, the waves and the beam particles. The impact of the random density fluctuations inherent to the background plasma on these processes requires the development of novel approaches and models. Owing to a new theoretical modeling, the radiation efficiency of electromagnetic waves radiated at ωp from a plasma source with random density fluctuations and developed upper-hybrid wave turbulence is calculated analytically and numerically. It is shown that the maximum radiation efficiency at frequency ωp scales as the average level of density fluctuations and as the ratio (c/vT)–2 (where vT is the thermal velocity). These scaling laws are found owing to two different and novel methods of determination of the electromagnetic radiation by turbulent inhomogeneous plasma sources through waves' transformations on randomly fluctuating density irregularities. These results contribute significantly to the understanding of the processes involved in the generation of Type III solar radio bursts. Their presentation is preceded by a summary of previous studies on the dynamics of beam-driven Langmuir turbulence in inhomogeneous solar plasmas.

日本語訳

III型太陽電波バーストは、太陽風およびコロナプラズマ中で一般的に観測されている。太陽大気中で加速された電子ビームは、弱磁化ラングミュア(上部ハイブリッド)波乱流を生成し、これが順に、背景プラズマ、波動、およびビーム粒子間の相互作用を含む逐次過程を介して、電子プラズマ周波数ωpおよびその高調波2ωpにおける電磁放射を生み出す。背景プラズマに固有のランダム密度揺らぎがこれらの過程に及ぼす影響は、新規のアプローチとモデルの開発を必要とする。新たな理論モデリングにより、ランダム密度揺らぎを伴うプラズマ源からωpにおいて放射される電磁波の放射効率が、解析的および数値的に計算された。ωpにおける最大放射効率は、密度揺らぎの平均レベルに比例し、(c/vT)–2(ここでvTは熱速度)に比例してスケールすることが示された。これらのスケーリング則は、ランダム密度揺らぎ上での波動変換を介した乱流不均質プラズマ源による電磁放射を決定する、2つの異なる新規手法によって導出された。これらの結果は、III型太陽電波バーストの生成に関与する過程の理解に大きく貢献する。その提示に先立ち、不均質太陽プラズマにおけるビーム駆動ラングミュア乱流のダイナミクスに関する先行研究の概要が述べられる。

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