Propagation of a transient electromagnetic disturbance in an inhomogeneous, collisional, Magnetized plasma

Summary The time response of an anisotropic, inhomogeneous magnetized plasma to a time-dependent externally applied electric field is studied. The plasma is considered as a conducting medium embedded in a static magnetic fieldB _o, with finite and constant parallel conductivity σ_∥ and normal conductivity σ_⊥ exponentially varying; a constant ion polarization conductivity (σ_pol) normal toB ₀ is also included. The driving termE ₀ is assumed to be normal to the ambient magnetic field, with a space dependence only in the (E ₀, B₀)-plane (two-dimensional case). The problem is treated as an initial (in time) and boundary (in space) value problem, and an analytic solution is obtained for the time response of the system to a unit step of electric field; the solution for any other driving field is then given via a convolution integral. This model can be used in particular to study the propagation through the ionosphere of ULF waves generated by the motion of an artificially created ion cloud in the upperF region. Moreover, the mathematical technique is rather general, so it may be used also for different plasma models.

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Riassunto Si presenta lo studio della risposta temporale (transitorio) di un plasma magnetizzato, anisotropo e inomogeneo ad un campo elettrico esterno impresso. Il plasma è trattato come un mezzo conduttore, immerso in un campo magnetico staticoB ₀, la cui conducibilità elettrica parallela al campo magnetico σ_∥ è costante, mentre la conducibilità normale σ_⊥ varia esponenzialmente nello spazio; si considera inoltre una conducibilità dovuta alla polarizzazione degli ioni (σ_pol) costante e normale aB ₀. Il campo impressoE ₀ è assunto normale al campo magnetico ambiente con dipendenza spaziale solo nel piano (E ₀, B₀) (caso bidimensionale). In queste ipotesi si perviene ad un problema ai valori iniziali e al contorno, e si deriva una soluzione analitica per la risposta transitoria del sistema ad un gradino di campo elettrico impresso; la soluzione per una qualsiasi funzione di campo applicato è data come integrale di convoluzione con la risposta al gradino. Questo modello può essere usato, in particolare, per studiare la propagazione attraverso la ionosfera di un'onda ULF generata dal moto di una nuvola ionica creata artificialmente nella parte superiore della regioneF. Un ulteriore interesse deriva dal fatto che, essendo la tecnica matematica utilizzata molto generale, questa può essere applicata pure a differenti modelli di plasma.