%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21c/2020/03.16.23.03
%2 sid.inpe.br/mtc-m21c/2020/03.16.23.03.16
%T Electromagnetic ion-cyclotron waves occurrence on the Van Allen radiation belts using the Van Allen Probes mission dataset
%J Estudo da ocorrência e da distribuição espacial das ondas eletromagnéticas íon-ciclotrônicas no cinturão de radiação externo utilizando dados da missão Van Allen Probes
%D 2020
%8 2020-03-20
%9 Tese (Doutorado em Geofísica Espacial/Ciências do Ambiente Solar-Terrestre)
%P 149
%A Medeiros, Claudia,
%E Alves, Lívia Ribeiro (presidente),
%E Vieira, Luis Eduardo Antunes (orientador),
%E Silva Souza, Vitor Moura Cardoso e (orientador),
%E Sibeck, David Gary (orientador),
%E Batista, Inez Staciarini,
%E Santos, Jean Carlo,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K earth's magnetosphere, Van Allen radiation belts, Van Allen Probes mission, electromagnetic ion-cyclotron waves, neural networks, magnetosfera terrestre, cinturão de radiação Van Allen, missão Van Allen Probes, ondas eletromagnéticas íon-ciclotrônicas, redes neurais.
%X Energetic charged particles trapped in Earths magnetic field lines constitute the so-called Van Allen radiation belts. The inner most radiation belt is more stable, whereas the outer radiation belt is more dynamic. Plasma waves can propagate either along or across geomagnetic field lines and they can interact with charged particles thereby changing the radiation belt configuration. Among such waves the electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves, are of special interest in this work, since they are responsible for pitch angle-scattering relativistic electrons into the loss cone. Both pitch angle-resolved electron fluxes data and high time-resolution magnetic field measurements acquired from the twin, identically instrumented NASAs Van Allen Probes mission are used here, and they span a time interval of more than 4 years. The focus is to investigate the spatial distribution and the occurrence rate of EMIC waves in the outer Van Allen radiation belt during this period as well as the possible role played by EMIC waves in the reconfiguration of an electron butterfly pitch angle distribution (PAD) shape that resulted in an unusual electron butterfly PAD shape. A case study (MEDEIROS et al., 2019) revealed the likely association between EMIC waves occurrence and such unusual electron butterfly PAD. Then, two machine learning-based techniques have been employed with the first of them, referred to as Bag-of-Features (BoF, Medeiros et al. (2020)), being responsible to find, in a semi-automated way, EMIC wave events in a 4-year span dataset of magnetic field spectrogram images, and the second algorithm, known as Self Organizing Map (SOM, Souza et al. (2016)), would find unusual electron butterfly PAD shapes.By matching both the EMIC waves and the unusual electron butterfly PAD shape surveys the following conclusions are found: (1) the BoF technique performed nearly as good as the visual classification method with the enormous advantage that the BoF technique greatly expedites the analysis by accomplishing the task in just a few minutes; (2) for the period of one full Van Allen Probes orbit precession the unusual electron butterfly PAD shape found by Medeiros et al. (2019) is indeed unusual when considering events wherein there is at least a 10 minutes persistence. These events correspond to only 0.3% of the whole 1.8 MeV energy electron PADs dataset used for the same interval; (3) persistent unusual electron butterfly PAD events generally occur throughout the nightside region, at L-shell locations larger than about 5RE, with a slightly higher occurrence rate in the 01:0002:00 MLT range; (4) visual inspection of a small subset, that is, 23 events, containing persistent unusual electron butterfly PAD shapes show that they are indeed associated with EMIC waves occurrence for 22 events; (5) it is argued that EMIC waves can be the dominant factor in the relativistic electron flux reduction at pitch angles < 45 and > 135 which in turn lead to the appearance of such unusual electron butterfly PAD shapes. RESUMO: Ondas de plasma podem se propagar ao longo ou através das linhas de campo geomagnético e podem interagir com partículas carregadas, alterando assim a configuração do cinturão de radiação Van Allen. Entre essas ondas, existem as ondas eletromagnéticas ion-ciclotrônicas (EMIC) que são de especial interesse neste trabalho, uma vez que são responsáveis pelo espalhamento de elétrons relativísticos no cone de perda. Para tal são utilizados dados de fluxos de elétrons resolvidos por ângulo de inclinação e medições de campo magnético de alta resolução adquiridas da missão Van Allen Probes da NASA. O foco é investigar a distribuição espacial e a taxa de ocorrência de ondas EMIC no cinturão de radiação Van Allen externo, bem como o possível papel desempenhado pelas ondas EMIC na reconfiguração da distribuição do ângulo de arremesso para um formato incomum de borboleta. (MEDEIROS et al., 2019) revelou a provável associação entre a ocorrência de ondas EMIC e a reconfiguração incomum da distribuição do ângulo de arremesso em formato borboleta. Duas técnicas baseadas em aprendizado de máquina foram empregadas com a primeira, denominada Bag of Features (BoF,Medeiros et al. (2020)), para encontrar, de maneira semi-automática, os eventos com ondas EMIC em um conjunto de dados de quatro anos de imagens de espectrograma de campo magnético, e o segundo algoritmo, conhecido como Mapa Auto Organizável (SOM, Souza et al. (2016)), aplicado a uma porção menor do conjunto de dados para encontrar formas incomuns de distribuição do ângulo de arremesso. Ao combinar as ondas EMIC e as distribuições tipo borboleta, obteve-se as seguintes conclusões: (1) a técnica BoF teve desempenho quase tão bom quanto o método de classificação visual, com a enorme vantagem de que a técnica BoF agiliza muito o análise realizando a tarefa em apenas alguns minutos; (2) pelo período de uma precessão total da órbita de Van Allen Probes, a forma incomum de PAD de borboleta encontrada por Medeiros et al. (2019) é realmente incomum ao considerar eventos em que há pelo menos 10 minutos de persistência. Esses eventos correspondem a apenas 0,3 % de todo o conjunto de dados de PADs de elétrons com energia de 1,8 MeV para o mesmo intervalo; (3) os eventos PAD incomuns e persistentes tipo borboleta ocorrem geralmente em toda a região noturna, em locais L−shell maiores que cerca de 5RE, com uma taxa de ocorrência um pouco maior no período de 01-02 MLT; (4) A inspeção visual de um pequeno subconjunto, ou seja, 23 eventos, contendo formas PAD incomuns e persistentes de borboleta mostra que elas estão realmente associadas à ocorrência de ondas EMIC em 22 eventos; (5) argumenta-se que as ondas EMIC podem ser o fator dominante na redução do fluxo de elétrons relativísticos com ângulos de arremesso < 45 e > 135, que por sua vez levam ao aparecimento de tais formas de PAD de borboleta.
%@language en
%3 publicacao.pdf