<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Astron. Space Sci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Astronomy and Space Sciences</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Astron. Space Sci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-987X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1063329</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fspas.2022.1063329</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Astronomy and Space Sciences</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Using MEPED observations to infer plasma density and chorus intensity in the radiation belts</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Longley et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fspas.2022.1063329">10.3389/fspas.2022.1063329</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Longley</surname>
<given-names>William J.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2026219/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Chan</surname>
<given-names>Anthony A.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1964390/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Jaynes</surname>
<given-names>Allison N.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2012580/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Elkington</surname>
<given-names>Scot R.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1528117/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Pettit</surname>
<given-names>Joshua M.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2069649/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Ross</surname>
<given-names>Johnathan P. J.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff5">
<sup>5</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2061738/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Glauert</surname>
<given-names>Sarah A.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff5">
<sup>5</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2098906/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Horne</surname>
<given-names>Richard B.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff5">
<sup>5</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1413745/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Department of Physics and Astronomy</institution>, <institution>Rice University</institution>, <addr-line>Houston</addr-line>, <addr-line>TX</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Department of Physics and Astronomy</institution>, <institution>University of Iowa</institution>, <addr-line>Iowa City</addr-line>, <addr-line>IA</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>Laboratory for Atmospheric and Space Physics</institution>, <institution>University of Colorado Boulder</institution>, <addr-line>Boulder</addr-line>, <addr-line>CO</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<sup>4</sup>
<institution>Goddard Space Flight Center</institution>, <institution>NASA</institution>, <addr-line>Greenbelt</addr-line>, <addr-line>MD</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff5">
<sup>5</sup>
<institution>British Antarctic Survey</institution>, <institution>Natural Environment Research Council</institution>, <addr-line>Cambridge</addr-line>, <country>United Kingdom</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1124142/overview">Stanislav Boldyrev</ext-link>, University of Wisconsin-Madison, United States</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/510826/overview">Binbin Ni</ext-link>, Wuhan University, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/874804/overview">Ivan Vasko</ext-link>, University of California, Berkeley, United States</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: William J. Longley, <email>wlongley@rice.edu</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Space Physics, a section of the journal Frontiers in Astronomy and Space Sciences</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>21</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>1063329</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>06</day>
<month>10</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>04</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Longley, Chan, Jaynes, Elkington, Pettit, Ross, Glauert and Horne.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Longley, Chan, Jaynes, Elkington, Pettit, Ross, Glauert and Horne</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Efforts to model and predict energetic electron fluxes in the radiation belts are highly sensitive to local wave-particle interactions. In this study, we use multi-point measurements of precipitating and trapped electron fluxes to investigate the dynamic variation of chorus wave-particle interactions during the 17 March 2013 storm. Quasilinear theory characterizes the chorus wave-particle interaction as a diffusive process, with the diffusion coefficients depending on the particle energy and pitch angle, as well as the background plasma parameters such as the wave intensity and plasma density. These plasma parameters in the radiation belts are spatially localized and time-varying, so we construct event-specific diffusion coefficients using MEPED (onboard POES/MetOp) measurements of electron fluxes at low Earth orbit. This new method provides realistic diffusion coefficients for chorus waves that account for changes in the wave intensity, the plasma density, and the magnetic field strength in the outer radiation belt. We show that the inferred chorus intensity is significantly lower than previous estimates that use MEPED observations since the same amount of increased precipitation by 30&#x2013;300&#xa0;keV electrons can be explained by a change in the plasma density. This technique therefore allows for us to create time varying, global maps of the plasma-gyrofrequency ratio (fpe/fce), and therefore plasma density, in the outer radiation belts using the MEPED measurements. The global density estimates compare reasonably well to <italic>in situ</italic> density measurements from RBSP-B.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>radiation belts</kwd>
<kwd>wave-particle interaction</kwd>
<kwd>quasilinear diffusion</kwd>
<kwd>SDE modeling</kwd>
<kwd>chorus waves</kwd>
<kwd>density measurements</kwd>
<kwd>POES/MetOp</kwd>
<kwd>van allen probes</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">NNX16AK22G NNX17AI51G 80NSSC21K1323 NNX14AH54G</contract-num>
<contract-num rid="cn002">NNX16AK22G</contract-num>
<contract-num rid="cn003">AGS 1651428</contract-num>
<contract-num rid="cn004">NE/V00249X/1 NE/R016038/1 NE/R016445/1</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">National Aeronautics and Space Administration<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100000104</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn002">University Corporation for Atmospheric Research<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100005626</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn003">National Science Foundation<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100000001</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn004">Natural Environment Research Council<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100000270</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>The Earth&#x2019;s radiation belts are composed of highly energetic electrons and ions that interact with the colder, denser background plasma. This collocation of the dense background plasma and the radiation belts creates a natural laboratory for studying wave-particle interactions in a plasma. The cold plasma generates several types of waves, including whistler-mode chorus waves driven by an electron temperature anisotropy. The higher energy radiation belt particles play no role in the generation of chorus waves, but they strongly interact with the waves through collisionless Landau and cyclotron damping. This wave-particle interaction can pitch angle scatter electrons near the resonant energy, causing them to precipitate into the ionosphere where they can drive the aurora (e.g., <xref ref-type="bibr" rid="B1">Abel and Thorne, 1998</xref>).</p>
<p>In this study, we are interested in calculating event-specific chorus diffusion coefficients for later use in the K2 modeling framework. K2 models the time evolution of electron phase-space density using test particles in MHD fields (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Elkington et al. 2002</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B7">2004</xref>). This MHD-test particle method allows for accurate modeling of both global effects such as radial transport and magnetopause shadowing (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Elkington et al., 1999</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B5">2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Fei et al., 2006</xref>), as well as local wave-particle interactions such as quasilinear diffusion due to chorus waves modeled by a 2D Stochastic Differential Equation (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Tao et al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Zheng et al., 2014</xref>). The wave-particle interaction is strongly determined by the wave properties in the radiation belts, and in this paper we develop a novel method for estimating these wave properties on a dynamic, global scale.</p>
<p>In the radiation belts, the colder background plasma is typically anisotropic with a higher temperature in the direction perpendicular to Earth&#x2019;s magnetic field. Electron populations with this temperature anisotropy drive an instability that produces whistler-mode chorus waves, while anisotropic ion populations produce electromagnetic ion-cylotron (EMIC) waves (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Kennel and Petschek, 1966</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Omura et al., 2009</xref>). The whistler-mode chorus waves interact strongly with relativistic electrons and are the focus of this current study due to the ability to measure their precipitation into the ionosphere using the MEPED instrument on the POES and MetOp spacecrafts. EMIC waves are also important for the diffusion and loss of highly energetic electrons (&#x3e;4&#xa0;MeV) (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Ross et al., 2020</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B25">2021</xref>) and will be the subject of future studies.</p>
<p>Since the energetic electrons have no role in generating chorus waves, the wave-particle interaction is best described through the diffusion equation obtained by quasilinear theory. Quasilinear theory is a modification to typical linear solutions of the Boltzmann equation, where a slow time dependence is included for the zeroth order terms. In effect, this allows the Boltzmann equation to be solved for the case where the initial electron distribution is changing in time due to the wave losing energy to the electrons through Landau and cyclotron damping. This solution results in a standard diffusion equation, with the diffusion coefficients depending on the wave properties (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Lyons and Williams, 1984</xref>).</p>
<p>To model the diffusion process accurately and efficiently, we need to specify a priori the properties of the chorus waves in the radiation belts. This is traditionally done through assembling statistical maps of the wave intensity <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, wave frequency distribution, and the plasma frequency to gyrofrequency ratio <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Albert et al., 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Horne et al., 2013</xref>). The empirical nature of these diffusion coefficients leads to an inconsistency with radiation belt modeling, which seeks to understand the dynamic evolution of electron fluxes during strong geomagnetic storms where intense chorus waves are not expected to strictly follow statistical patterns. Recently, <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al. (2013)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ni et al. (2014)</xref> developed a method to use MEPED measurements to infer the chorus intensity as a function of location and time during a geomagnetic storm. This method was used to create a set of event-specific diffusion coefficients for chorus waves in <xref ref-type="bibr" rid="B16">Ma et al. (2018)</xref>. In this paper we expand on this method by calculating the <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> ratio as well as the chorus intensity. This is achieved by including an additional energy channel from MEPED and allows us to estimate the plasma density in the outer radiation belts, a critical parameter for chorus wave-particle interactions. This new method produces lower chorus intensities since the <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> ratio strongly influences the resonant energy of the wave-particle interaction.</p>
<p>The remainder of this paper is organized as follows. In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> the calculation of quasilinear diffusion coefficients is reviewed. The MEPED data used is provided in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>. In <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> we detail the new method for using the MEPED data to calculate event-specific chorus diffusion coefficients. <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> then shows the chorus intensities and plasma densities estimated from scaling the diffusion coefficients, followed by a discussion of further applications in <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Quasilinear diffusion coefficients</title>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Theory overview</title>
<p>The Boltzmann equation plus Maxwell&#x2019;s equations provide a closed set of equations to describe the kinetic behavior of a plasma. Typical solutions to this set of equations involve a perturbation approach where the velocity distribution is in the form of <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a zeroth order, time independent distribution (i.e., a Maxwellian or Kappa distribution), and <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a first order plane wave fluctuation. In contrast, quasilinear theory seeks to obtain the time evolution of the zeroth order background distribution as it responds to waves with finite amplitudes (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Nicholson, 1983</xref>). This is an appropriate solution for wave-particle interaction in the radiation belts as it 1) provides a time evolution of phase space density, and 2) observations show that whistler-mode chorus waves have substantial amplitudes that require nonlinear terms to be retained when solving the Boltzmann equation (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Zhang et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Malaspina et al., 2021</xref>).</p>
<p>The quasilinear solution to the Boltzmann equation for electromagnetic waves and relativistic particle energies is derived in <xref ref-type="bibr" rid="B11">Kennel and Engelmann (1966)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B15">Lyons and Williams (1984)</xref>. The solution is of the form of a diffusion equation: <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Using velocity coordinates of pitch angle <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>atan</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x22a5;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and momentum <italic>p</italic>, and assuming azimuthal symmetry, the resulting diffusion equation is<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>Where the diffusion coefficients are all in units of 1/s, and form the symmetric matrix<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">D</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The calculation of diffusion coefficients is detailed in <xref ref-type="bibr" rid="B9">Glauert and Horne (2005)</xref>. In this paper we use all 4 components of the diffusion tensor in <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>, however we will only show the equations for <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for brevity. The pitch angle diffusion coefficient is<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2002;</mml:mtext>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the cyclotron harmonic, and <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>tan</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the wave normal angle. The diffusion coefficient for a given cyclotron harmonic and wave normal angle is<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>There is an implicit summation over all of the wave modes <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that are obtained from solving the cold plasma dispersion relation (defined in <xref ref-type="app" rid="app1">Appendix A</xref>). The wave frequency distributions are often assumed to be Gaussian, such as<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>erf</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>erf</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The parameters <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> define the Gaussian distribution, and <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the peak magnetic field intensity of the chorus waves, which shows that <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The parameters <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are obtained from the dispersion relation (see <xref ref-type="bibr" rid="B9">Glauert and Horne, 2005</xref>). Furthermore, the wavenumber is constrained by the Landau/cyclotron resonance condition<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The diffusion coefficient for a particle with a given pitch angle and momentum is calculated by first solving the dispersion relation in <xref ref-type="app" rid="app1">Appendix A</xref> simultaneously with <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Eq. 7</xref> to obtain the resonant wave frequency and wavenumber. The unspecified parameters in <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref> are then: the wave amplitude at the resonant frequency, <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; the wave normal angle distribution <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; and the background plasma density <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and magnetic field <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which are also needed in solving the dispersion relation. The challenge in calculating event-specific diffusion coefficients is in specifying each of these parameters, which are sparsely measured by satellites.</p>
<p>The basic motion of radiation belt particles is to bounce between mirror points in each hemisphere. Along this trajectory the wave properties and background plasma will change, so the diffusion coefficients are bounce-averaged. For the pitch angle diffusion coefficient, the bounce averaging is done as (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Glauert and Horne, 2005</xref>)<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the equatorial pitch angle of the particle, and <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the particle bounce period. The diffusion coefficients used in this paper are all bounce-averaged.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Statistical chorus diffusion coefficients</title>
<p>The baseline set of diffusion coefficients used in this paper are calculated using the PADIE (Pitch Angle and Energy Diffusion of Ions and Electrons) model (Glauert and Horne, 2005; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Horne et al., 2013</xref>) with the procedure given in <xref ref-type="bibr" rid="B24">Reidy et al. (2021)</xref> and the wave dataset from <xref ref-type="bibr" rid="B18">Meredith et al. (2020)</xref>. This set of diffusion coefficients is based on statistical aggregation of wave parameters from the DE 1, Double Star TC1, and THEMIS (A, D, E) satellites, and plasma density measurements from the CRRES satellite. The wave and plasma data used in the diffusion coefficients are binned at half integer values of L-shell, 1-hour increments of MLT, and for Kp index values of 0, 1, 2, 3, and 4&#x2b;. <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> shows the pitch angle, momentum, and mixed diffusion coefficients at different Kp bins for the same MLT and L-shell.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Diffusion coefficients binned by Kp index for L &#x3d; 5, and MLT from 6:00 to 07:00. Note the color scale and axes are the same in each plot. The energies range from 100&#xa0;eV up to 10&#xa0;MeV, and the equatorial pitch angle ranges from 0.5&#xb0; to 89&#xb0;.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g001.tif"/>
</fig>
<p>The diffusion coefficients from PADIE will be scaled with MEPED data for wave intensity, <italic>B</italic>
<sub>
<italic>w</italic>
</sub>, and the plasma-gyrofrequency ratio, <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The main benefit of using these statistical coefficients is that they use chorus frequency distributions, <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, that are fit to data (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Meredith et al., 2020</xref>). The frequency distribution is still proportional to the chorus intensity, <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, but the normalization factor is computed numerically for each distribution. With this proportionality and <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eqs 3</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref>, the diffusion coefficients are related to the chorus intensity as<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This proportionality also holds for <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and is the basis for using MEPED data to scale the diffusion coefficients for event studies.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Medium Energy Proton and Electron Detector (MEPED) observations</title>
<p>Energetic electron fluxes are measured at &#x223c;800&#xa0;km altitudes using the NOAA Polar Orbiting Environmental Satellites (POES) and the European Space Agency Meteorological Observational (MetOp) satellites. The Medium Energy Proton and Electron Detector (MEPED) instrument onboard the POES and MetOp satellites measures incident electron fluxes in 4 energy channels (&#x3e;30&#xa0;keV, &#x3e;100&#xa0;keV, &#x3e;300&#xa0;keV, and &#x3e;700&#xa0;keV) with two detectors having different pointing angles. The nominal 0&#xb0; detector is pointed to the spacecraft zenith, and measures electrons within the loss cone that are precipitating into the ionosphere (when at high latitudes). The nominal 90&#xb0; detector is pointed behind the spacecraft&#x2019;s trajectory, and measures electrons that are trapped in the radiation belts and have mirror points just below the spacecraft&#x2019;s altitude. The angular width of each detector is approximately 30&#xb0;, however the MEPED detectors admit fluxes through the full 180&#xb0; face due to the energetic particles penetrating the shielding. This issue is discussed thoroughly in <xref ref-type="bibr" rid="B27">Selesnick et al. (2020)</xref>, which used Monte Carlo simulations to compute accurate angular response functions for each detector. All analysis of MEPED data in this paper utilizes the angular response functions from <xref ref-type="bibr" rid="B27">Selesnick et al. (2020)</xref>.</p>
<p>The construction of the MEPED instrument minimized the cross-contamination between the proton and electron channels. However, low energy protons at the right incidence angle are able to enter the electron detector where they produce a false count (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Pettit et al., 2021</xref>). To account for proton contamination, we use the MEPED dataset from <xref ref-type="bibr" rid="B23">Pettit et al. (2019</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B22">2021)</xref> which corrects for proton contamination by fitting the proton detector counts to obtain differential fluxes that are subtracted from the electron channels.</p>
<p>The POES and MetOp satellites are in polar orbit planes, providing a wide range of local time coverage. However, this coverage leaves significant gaps in the data when binning by L shell, MLT, and time. We fill these gaps in data by taking a 2-D linear interpolation in time (UT) and MLT, using the <italic>fillmissing</italic> function in MATLAB with linear interpolation. This makes the assumption that precipitation is highly localized in L shell, and therefore adjacent bins in L shell are not strongly correlated. In <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> is a plot of the precipitating (0&#xb0; detector) to trapped (90&#xb0; detector) flux ratio on March 17-18, 2013, measured by the NOAA POES 15, 16, 17, 18, and 19 satellites, along with MetOp 1 and 2. <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> shows the data filled in to create maps of precipitating/trapped flux in 1-hour local time bins, 0.5&#xa0;L-shell bins. The data is later binned in 3-hour MLT increments for analysis in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, however <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> shows 6-hour MLT bins for space constraints.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>MEPED measurements of precipitating to trapped flux ratio as a function of MLT, L-shell, and universal time on March 17-18, 2013. The data are binned in 1&#xa0;h time (UT) intervals and 0.5&#xa0;L-shell intervals. The data are obtained from the NOAA POES 15, 16, 17, 18, and 19 satellites, along with MetOp 1 and 2.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Event-specific diffusion coefficients</title>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Inferring chorus wave intensity</title>
<p>The method of using MEPED observations of electron fluxes in order to estimate chorus wave intensity was first developed in <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al. (2013)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ni et al. (2014)</xref>. This method compares the observed precipitating/trapped electron flux ratio from MEPED to the ratio obtained by solving a 1-D diffusion equation in <xref ref-type="bibr" rid="B12">Kennel and Petschek (1966)</xref>. The predicted flux inside the loss cone, corresponding to the 0-degree MEPED telescope, is (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Kennel and Petschek, 1966</xref>)<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <italic>I</italic>
<sub>
<italic>0</italic>
</sub> and <italic>I</italic>
<sub>
<italic>1</italic>
</sub> are modified Bessel functions. The corresponding flux outside the loss cone, corresponding to the 90-degree MEPED telescope, is (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Kennel and Petschek, 1966</xref>)<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In both equations, <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the loss cone angle at the equator, and the equatorial pitch angle <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of a particle is related to the local pitch angle <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>O</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the magnetic field strength at the satellite&#x2019;s location in low Earth orbit, nominally 800&#xa0;km altitude. The parameter <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is related to <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the bounce-averaged pitch angle diffusion coefficient evaluated at the loss cone angle:<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>C</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The integrations in <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eqs 10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref> are over a finite energy range, <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which we will choose to correspond to the energy ranges from MEPED. The lowest energy interval from MEPED is 30&#x2013;100&#xa0;keV and has the highest count rates. In <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref> we further develop this scaling method to account for <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by also examining the energy range of 100&#x2013;300&#xa0;keV. The function <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the electron energy spectrum, which we choose as the Kappa distribution used in <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ni et al. (2014)</xref>.</p>
<p>The remaining integration variables <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> account for the solid angle of the detector&#x2019;s field of view. The azimuthal angle <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, polar angle <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and detector tilt angle <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are related to the particle pitch angle <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by the equation<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The tilt angle <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined such that <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to the 0-degree detector looking parallel to the Earth&#x2019;s magnetic field, and <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>90</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to the 90-degree detector looking perpendicular to the magnetic field. The tilt angle is a known quantity from the MEPED data.</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> can be used to write the local pitch angle <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of the integration variables, <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for a known detector tilt angle. The detector is axisymmetric, so <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> ranges from 0 to <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As written, <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eqs 10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref> show the integration over the polar angle <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is from 0 to <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the half-width of the detector field of view. The MEPED detectors on POES and MetOp are typically reported to have a detector half-width of <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, as discussed in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B27">Selesnick et al. (2020)</xref> used Monte Carlo simulations to compute accurate angular response functions for each detector that accounted for energetic electrons penetrating the shielding around the instrument. In taking the polar integrals in <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eqs 10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref> we utilize the tabulated angular response functions from <xref ref-type="bibr" rid="B27">Selesnick et al. (2020)</xref>. This is done through the substitution<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>where we denote <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the angular response function from <xref ref-type="bibr" rid="B27">Selesnick et al. (2020)</xref>, and we now integrate across the entire polar angle range from 0&#xb0; to 90&#xb0;.</p>
<p>The <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al. (2013)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ni et al. (2014)</xref> method for scaling diffusion coefficients for chorus intensity is as follows:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) Specify the statistical diffusion coefficient to scale, <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as a function of electron energy and pitch angle.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2) Calculate the predicted ratio of precipitating to trapped flux, <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, using <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eqs 10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">12</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">13</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">14</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3) Choose a scaling factor <italic>s</italic> and recalculate <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x27e8;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the diffusion coefficient.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>4) Repeat step 3 for a wide range of scaling factors to calculate the function <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>5) Obtain the measured precipitating to trapped flux ratio from MEPED data, <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>6) Solve for <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which provides the scaling factor <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> needs to be multiplied by in order to explain the observed flux ratio.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>7) The scaled diffusion coefficients are then <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x27e8;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x27e8;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>This method can be applied without ever knowing the chorus wave intensity used in PADIE to calculate <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x27e8;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The inferred chorus intensity <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the radiation belts is<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:msqrt>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the input for PADIE, and the square root comes from the fact that <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> shows an example of this scaling process, with <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref> used to plot <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of chorus wave intensity instead of the abstract scaling ratio. In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> the scaling method is applied using observed flux ratios by MEPED, leading to an inferred chorus intensity of <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>435</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pT from the 30&#x2013;100&#xa0;keV band, and an inferred chorus intensity of <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>825</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pT from the 100&#x2013;300&#xa0;keV band. Since the observed fluxes are caused by the same chorus waves in the radiation belts, the scaling method should produce the same chorus intensity values. In the next section we show that scaling the diffusion coefficients for <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> addresses this problem.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Sample calculations of the predicted ratio of precipitating to trapped flux using <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eqs 10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">12</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">13</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">14</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref>, with different detector tilt angles. The inferred chorus intensity is obtained by finding where the curve for <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> intersects the observed value by MEPED, then reading the <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> value at that intersection. The black arrows show an example of this process: at 15:00 UT, 03:00 MLT, and L &#x3d; 5, the measured flux ratio in the 30&#x2013;100&#xa0;keV band was <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.62</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which gives an inferred chorus intensity of <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>435</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pT from plot <bold>(A)</bold>. At the same time, the measured flux ratio in the 100&#x2013;300&#xa0;keV band is <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.42</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, so the inferred chorus intensity in plot <bold>(B)</bold> is <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>825</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> pT. The discrepancy in the flux ratio <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between the two energy bands is due to chorus diffusion favoring electron energies less than 100&#xa0;keV (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>). However, the inferred values of the chorus intensity should be the same for each energy band since the observed precipitation in each band is caused by the same chorus wave. This discrepancy between the inferred <italic>B</italic>
<sub>
<italic>w</italic>
</sub> values is the subject of <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Inferring plasma density</title>
<p>The method for scaling chorus intensity using MEPED data produces different estimates of the chorus intensity in the 30&#x2013;100&#xa0;keV and 100&#x2013;300&#xa0;keV energy ranges (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>). This discrepancy was noticed in <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ni et al. (2014)</xref>, where they attributed the difference to 1) lower uncertainties in the measured 30&#x2013;100&#xa0;keV fluxes due to higher count rates, and 2) the increased importance of momentum diffusion at higher energies. We offer an alternative explanation: the diffusion coefficients assume an inaccurate plasma-gyrofrequency ratio, <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This section develops a method to scale diffusion coefficients with <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which we use to force the chorus intensity to be the same in both energy ranges.</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eqs 3</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">5</xref> show how the pitch angle diffusion coefficient is calculated. The plasma-gyrofrequency ratio does not explicitly enter into those equations, but it does change the dispersion relation for chorus waves. From <xref ref-type="app" rid="app1">Appendix A</xref>, the chorus dispersion relation for parallel propagating waves (<inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>tan</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) is<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>which is solved simultaneously with the Landau/cyclotron resonance condition in <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>. For parallel propagating waves the resonance condition yields<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref>, and utilizing <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the pitch angle, the resonant chorus frequency <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This is a cubic equation in <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the coefficients for the 0<sup>th</sup>, 2<sup>nd</sup> and 3<sup>rd</sup> order terms do not depend on the plasma frequency. Therefore, the same solution for <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained if <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are changed such that<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>For parallel propagating waves only the <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> resonance is important, however we keep <italic>n</italic> in the equation since it is a constant anyways. Defining the plasma-gyrofrequency ratio as<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref> shows that two sets of parameters (subscripts 0 and 1) lead to the same solution of <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> if<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This can be solved for <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the quadratic equation. However, looking at <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eq. 19</xref>, we see <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is present in the 2<sup>nd</sup> and 3<sup>rd</sup> order terms, and therefore changing <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in response to <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will change those coefficients and the overall solution for <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We therefore constrain <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref> to the weakly-relativistic limit, such that <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Then <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref> simplifies to<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Using <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the electron rest mass, we express this relation in terms of particle energy,<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>with the quadratic solution<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>Notice that in the nonrelativistic limit, and for <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">Eq. 24</xref> simplifies to<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> provides an approximate relation between two different particles with different energies and plasma frequencies that yields the same solution of the dispersion relation for the chorus frequency. These two sets of particle energy and plasma-gyrofrequency parameters will therefore yield approximately the same diffusion coefficients, providing a fast and simple way of scaling <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with changing plasma frequency. This is effectively done by setting <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and shifting the entire diffusion coefficient <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> up or down in energy. An example of this scaling with <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, where the scaling is done by shifting the whole diffusion coefficient up or down in energy based on <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Scaling diffusion coefficients for <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In plot <bold>(A)</bold> is the PADIE statistical diffusion coefficient <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to be scaled. The <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al. (2013)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ni et al. (2014)</xref> method in <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref> for scaling with <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is done by integrating at the loss cone from 30 to 100&#xa0;keV and 100&#x2013;300&#xa0;keV. This integration path is shown as the thick white and black vertical lines at <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in plots <bold>(A&#x2013;C)</bold>. Plot <bold>(D)</bold> shows the inferred value of <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of scaling <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by a constant. The <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al. (2013)</xref> method does not scale <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, so it infers <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>175</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which creates the very strong diffusion coefficient in plot <bold>(C)</bold>. In contrast, the new method developed in this paper finds the intersection of the curves for the 30&#x2013;100&#xa0;keV band and the 100&#x2013;300&#xa0;keV band in plot <bold>(D)</bold>. This method infers <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>61</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while also scaling the diffusion coefficient up in energy using <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref>, with <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> reduced by a factor of 1/3. This method produces a much weaker overall diffusion coefficient since the shift in energy puts the stronger part of the diffusion coefficient in the integration path (vertical white and black line at <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) when calculating <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>90</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g004.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> gives a quick and approximate way to shift the diffusion coefficients up and down in energy when <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes. We use this relation to scale the diffusion coefficients with the MEPED data by iterating over the method in <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref> until the inferred <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the 30&#x2013;100&#xa0;keV band matches the inferred <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from the 100&#x2013;300&#xa0;keV band. This is done as follows:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) Specify the statistical diffusion coefficient to scale, <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2) Use the method in <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref> to calculate the chorus intensity in the 30&#x2013;100&#xa0;keV band, <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the chorus intensity in the 100&#x2013;300&#xa0;keV band, <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3) Select a range of scaling factors <italic>r</italic> for the plasma-gyrofrequency ratio.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>4) Use <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> to shift the diffusion coefficient in energy, substituting <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>5) Repeat the method in <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref> to construct the curves for chorus intensity <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of the scaling factor <italic>r.</italic>
</p>
</list-item>
<list-item>
<p>6) Find the intersection of the curves <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>100</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>300</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The value of <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at this intersection is the inferred <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> needed to scale the diffusion coefficients, and the value of <italic>r</italic> is the factor that <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> needs to be scaled by using <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> to scale the diffusion coefficients in energy. An example of this is shown in panel (d) of <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>.</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s5">
<title>5 Results</title>
<p>The previous section outlines two methods for scaling diffusion coefficients using observed flux ratios at low Earth orbit. The method in <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref>, originally developed by <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al. (2013)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ni et al. (2014)</xref> only uses a single energy range of 30&#x2013;100&#xa0;keV to infer chorus intensity, <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref> we developed a new method that utilizes measurements in both the 30&#x2013;100&#xa0;keV range and the 100&#x2013;300&#xa0;keV range to provide information to scale both <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the equatorial plasma-gyrofrequency ratio, <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We apply both scaling methods to the statistical diffusion coefficients in <xref ref-type="sec" rid="s2-2">Section 2.2</xref>, using the MEPED data in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> shows examples of the original PADIE diffusion coefficients from <xref ref-type="sec" rid="s2-2">Section 2.2</xref>, and the coefficients scaled using the methods in section 4.1 and 4.2. The coefficients scaled for both <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>) look different than the statistical PADIE coefficients or those scaled only with <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref>). This is because <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> shifts the whole diffusion coefficient up in energy as <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes. Both sets of scaled diffusion coefficients are included in the Zenodo data repository for use in radiation belt simulations.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Pitch angle diffusion coefficients <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at various times on March 17-18, 2013, for L &#x3d; 6 and MLT range of 0:00-03:00. The diffusion coefficients computed from PADIE (<xref ref-type="sec" rid="s2-2">Section 2.2</xref>) are shown in the left column and use statistical models of the plasma density and chorus intensity. The middle column shows the diffusion coefficients scaled for only the chorus intensity <italic>B</italic>
<sub>
<italic>w</italic>
</sub> using only the 30&#x2013;100&#xa0;keV energy range (<xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref>). The right column shows the diffusion coefficients scaled for both <italic>B</italic>
<sub>
<italic>w</italic>
</sub> and the plasma-gyrofrequency <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g005.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> shows a snapshot of the results of scaling <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for chorus intensity <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using the two methods. A movie showing the <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> scaling for every hour of the March 17-18, 2013 event is included in the supplemental material. The method from <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref> (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ni et al., 2014</xref>) provides estimates of chorus intensity based solely on the 30&#x2013;100&#xa0;keV range. The new scaling method forces the inferred <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> values in the 30&#x2013;100&#xa0;keV range to be equal to the inferred values in the 100&#x2013;300&#xa0;keV range by shifting the diffusion coefficient in energy. This shift in energy is due to <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> being different in the model versus reality. By shifting the diffusion equation in energy, the stronger parts of the diffusion coefficient are moved into the integration range. In contrast, the single energy range method relies on multiplying all of <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by a constant, and therefore large values of the precipitating/trapped flux ratio are only explained by large chorus intensities. This is reflected in the results of <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, where the single energy range method consistently produces chorus intensities that are significantly higher than the chorus intensities inferred when accounting for changes in <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> only scaling in <xref ref-type="sec" rid="s4-1">Section 4.1</xref> is equivalent to the method developed first in <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al. (2013)</xref>. In <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al. (2013)</xref> the inferred chorus intensity is consistently higher than the chorus intensity measured by the Van Allen Probes. Therefore, the lower estimates of chorus intensity obtained in this paper are reasonable.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Inferred values of chorus wave intensity, Bw. In plot <bold>(A)</bold> the diffusion coefficients are scaled using only the 30&#x2013;100&#xa0;keV range from MEPED. In plot <bold>(B)</bold> the diffusion coefficients are scaled using the new method that accounts for changes in plasma density by matching the 30&#x2013;100&#xa0;keV and 100&#x2013;300&#xa0;keV results. The inferred chorus intensity using only the 30&#x2013;100&#xa0;keV range (plot a) is consistently larger than the inferred chorus intensity using both energy ranges to account for changes in <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (plot b). A movie showing the chorus intensity at every time step is included in the supplemental materials.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g006.tif"/>
</fig>
<p>The new method for scaling diffusion coefficients enables us to infer what <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is in the radiation belts, using only low Earth orbit measurements. Inferring <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on a global scale is useful for producing accurate diffusion coefficients. We can go a step further and create a global map of equatorial plasma density by assuming <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is determined by a dipole magnetic field and therefore is constant in time. In <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> we show the statistical density model used as an input to PADIE, and the density estimated using MEPED data and the new scaling method in <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>. The supplemental materials include movies of the plasma density and <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> ratio changing dynamically throughout the 17 March 2013 event.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Snapshot of equatorial density. Plot <bold>(A)</bold> shows the statistical density model used to calculate diffusion coefficients with PADIE (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Meredith et al., 2020</xref>). In plot <bold>(B)</bold> the inferred density is shown from the new scaling method that utilizes both the 30&#x2013;100&#xa0;keV and 100&#x2013;300&#xa0;keV energy ranges from MEPED. A movie showing the inferred density at every time step is included in the supplemental materials.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g007.tif"/>
</fig>
<p>The estimated densities are compared to Van Allen Probes measurements (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Kurth et al., 2015</xref>) in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>. The densities are obtained from the EMFISIS instrument onboard the RBSP-B spacecraft. During the 17 March 2013 event the satellite apogee was on the nightside, and therefore sampled MLT ranges of approximately 21:00 to 04:00 when in the radiation belt (defined as L &#x2265; 3). <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> shows the same date-model comparison but plotting the plasma-gyrofrequency ratio <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>, the % error in the density is computed between the model densities and the RBSP-B measurements. The MLT and L-shell dependence of RBSP-B is shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>. Over the 5 full passes through the radiation belts during the event, the MEPED scaling method produces density estimates that systematically underestimate the observed density but are generally close to the RBSP-B values. On three of the passes (1<sup>st</sup>, 2<sup>nd</sup>, and 4<sup>th</sup>) the MEPED scaling method produces better density estimates compared to the statistical PADIE density model (<xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>). However, on the 3<sup>rd</sup> pass, the MEPED scaled density is not more accurate that the PADIE density model, with both models producing erratic estimates during the pass. The last pass does not produce a difference between the two models as there is no observed precipitation by MEPED at that time. The reliance on POES/MetOp observations is an inherent limitation of this method for estimating density.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Comparison of estimated densities to Van Allen Probes measurements. The densities measured by the RBSP-B spacecraft are shown in (black), for time periods where the spacecraft was in the radiation belts (L &#x2265; 3). The densities estimated using the MEPED scaling method in <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref> are shown in the (blue) curve, with reasonable agreement to RBSP-B. However, much of this agreement with observations is due to the high quality of the statistical density model used in the PADIE code (orange).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g008.tif"/>
</fig>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Same as <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>, except showing the plasma-gyrofrequency ratio <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g009.tif"/>
</fig>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Error analysis of the density models. The percent error is computed as error &#x3d; 100&#x2a;(model-RBSP)/RBSP, where RBSP is the density measured by RBSP-B, and the model densities are from the MEPED scaling estimates (blue), and the PADIE statistical model (orange). By this metric, the MEPED estimated densities are typically closer to the RBSP-B measurements than the PADIE model is.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g010.tif"/>
</fig>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>The MLT (blue) and L-shell (black) dependence of RBSP-B during the 17 March 2013 event.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fspas-09-1063329-g011.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s6">
<title>6 Conclusion</title>
<p>Modeling wave-particle interaction in the radiation belts requires event-specific diffusion coefficients for each of the relevant waves. Whistler-mode chorus waves strongly interact with electrons in the 10&#xa0;keV to 1&#xa0;MeV range and will pitch angle scatter those electrons into the loss cone where they precipitate into the upper atmosphere. The MEPED instrument on the POES/MetOp spacecrafts measures the precipitating and trapped flux of electrons in this energy range, allowing the estimation of the wave parameters in the radiation belts. In this paper, we expanded the method from <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li et al. (2013)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B19">Ni et al. (2014)</xref> to estimate chorus intensity and the plasma-gyrofrequency ratio, <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, using the MEPED observations. The estimation of <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> creates a proxy measurement for time dependent maps of the global plasma density in the radiation belts. This new scaling method ensures the same chorus intensity is estimated using measurements in the 30&#x2013;100&#xa0;keV range and the 100&#x2013;300&#xa0;keV range. The resulting event-specific diffusion coefficients will be used in a future study with the K2 model (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Elkington et al. 2002</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B7">Elkington et al. 2004</xref>).</p>
<p>Estimating the plasma-gyrofrequency ratio provides global, dynamic maps of the plasma density as discussed in <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref>. The global maps were compared to Van Allen Probes measurements of the density, showing moderately better percent errors than the statistical PADIE density model. This density estimation is not an exact process, and is limited by the following issues and approximations:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) The scaling in <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> assumes parallel propagating chorus waves near the equator are the dominant driver of precipitating electrons measured by MEPED. The scaling equation breaks down in the relativistic limit, so care must be used to avoid scaling MeV energies down into the 30&#x2013;300&#xa0;keV integration range. In this paper, the diffusion coefficients needed to be scaled up in energy, so we did not encounter this issue.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2) The POES and MetOp satellites do not provide global coverage. An interpolation scheme was used to fill in spatial and temporal gaps in the data.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3) The scaling method is for the plasma-gyrofrequency ratio <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and changes in this ratio are attributed to changes in plasma density. In practice, this ignores non-dipolar magnetic fields which are prevalent at larger L-shells during geomagnetic storms.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>4) This method only applies to time periods with enhanced chorus activity, since there needs to be enhanced electron precipitation in the 30&#x2013;300&#xa0;keV range. Furthermore, all precipitation in the 30&#x2013;300&#xa0;keV range is attributed to chorus waves and ignores all other wave modes in the radiation belts.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Furthermore, this method could be improved by skipping the energy scaling in <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> and instead using a large database of precomputed diffusion coefficients at various values of <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. A nonlinear least-squares method like the Levenberg-Marquardt algorithm can then be used to obtain the optimal solution for <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s7">
<title>Data availability statement</title>
<p>The datasets presented in this study can be found in online repositories. The names of the repository/repositories and accession number(s) can be found below: The data, diffusion coefficients, and code used in this paper are available on Zenodo at doi: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://10.5281/zenodo.7154151">10.5281/zenodo.7154151</ext-link>. The POES MEPED data is available at the National Centers for Environmental Information (NCEI) at <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.ngdc.noaa.gov/stp/satellite/poes/dataaccess.html">https://www.ngdc.noaa.gov/stp/satellite/poes/dataaccess.html</ext-link>. The Van Allen Probes densities were obtained from the EMFISIS instrument and are available at <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://emfisis.physics.uiowa.edu">https://emfisis.physics.uiowa.edu</ext-link>.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Author contributions</title>
<p>WL developed the methodology and analysis in this study and wrote the first draft of the manuscript. AC, AJ, and SE contributed to the conception and development of the study. JP processed the MEPED dataset. JR, SG, and RH provided the PADIE diffusion coefficients and model inputs. All authors contributed to manuscript revision, read, and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Funding</title>
<p>WL was supported by the NASA Living With a Star Jack Eddy Postdoctoral Fellowship Program, administered by UCAR&#x2019;s Cooperative Programs for the Advancement of Earth System Science (CPAESS) under award <sup>&#x23;</sup>NNX16AK22G. WL, AC, AJ, and SE were supported by NASA H-SR grant <sup>&#x23;</sup>NNX17AI51G and NASA LWS grant <sup>&#x23;</sup>80NSSC21K1323. JP acknowledges funding from the NSF Coupling, Energetics and Dynamics of Atmospheric Regions, grant AGS 1651428 and the NASA Living With a Star program, grant NNX14AH54G. RH, SG, and JR were supported by NERC grant NE/V00249X/1 (Sat-Risk). RH and SG were supported by NERC National Capability grant NE/R016038/1 and NERC National Public Good activity grant NE/R016445/1.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s10">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s11">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec id="s12">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2022.1063329/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2022.1063329/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="Video3.MP4" id="SM1" mimetype="application/MP4" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Video2.MP4" id="SM2" mimetype="application/MP4" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Video1.MP4" id="SM3" mimetype="application/MP4" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abel</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thorne</surname>
<given-names>R. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Electron scattering loss in earth&#x27;s inner magnetosphere: 1. Dominant physical processes</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>103</volume> (<issue>A2</issue>), <fpage>2385</fpage>&#x2013;<lpage>2396</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/97JA02919</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Albert</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meredith</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horne</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Three-dimensional diffusion simulation of outer radiation belt electrons during the 9 October 1990 magnetic storm</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>114</volume>, <fpage>A09214</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2009JA014336</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bellan</surname>
<given-names>P. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <source>Fundamentals of plasma physics</source>. <publisher-loc>Cambridge, UK</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/CBO9780511807183</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Elkington</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hudson</surname>
<given-names>M. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chan</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Acceleration of relativistic electrons via drift-resonant interaction with toroidal mode Pc-5 ULF oscillations</article-title>. <source>Geophys. Res. Lett.</source> <volume>26</volume> (<issue>21</issue>), <fpage>3273</fpage>&#x2013;<lpage>3276</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/1999GL003659</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Elkington</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hudson</surname>
<given-names>M. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chan</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Resonant acceleration and diffusion of outer zone electrons in an asymmetric geomagnetic field</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>108</volume>, <fpage>1116</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2001ja009202</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Elkington</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hudson</surname>
<given-names>M. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wiltberger</surname>
<given-names>M. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lyon</surname>
<given-names>J. G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>MHD/Particle simulations of radiation belt dynamics</article-title>. <source>J. Atmos. Sol. Terr. Phys.</source> <volume>64</volume> (<issue>5-6</issue>), <fpage>607</fpage>&#x2013;<lpage>615</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S1364-6826(02)00018-4</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Elkington</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wiltberger</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chan</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baker</surname>
<given-names>D. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Physical models of the geospace radiation environment</article-title>. <source>J. Atmos. Sol. Terr. Phys.</source> <volume>66</volume>, <fpage>1371</fpage>&#x2013;<lpage>1387</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jastp.2004.03.023</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fei</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chan</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elkington</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wiltberger</surname>
<given-names>M. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Radial diffusion and MHD particle simulations of relativistic electron transport by ULF waves in the September 1998 storm</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>111</volume>, <fpage>A12209</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2005JA011211</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Glauert</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horne</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Calculation of pitch angle and energy diffusion coefficients with the PADIE code</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>110</volume>, <fpage>A04206</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2004JA010851</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Horne</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kersten</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Glauert</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meredith</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boscher</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sicard-Piet</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>A new diffusion matrix for whistler mode chorus waves</article-title>. <source>J. Geophys. Res. Space Phys.</source> <volume>118</volume>, <fpage>6302</fpage>&#x2013;<lpage>6318</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/jgra.50594</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kennel</surname>
<given-names>C. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Engelmann</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1966</year>). <article-title>Velocity space diffusion from weak plasma turbulence in a magnetic field</article-title>. <source>Phys. Fluids (1994).</source> <volume>9</volume>, <fpage>2377</fpage>&#x2013;<lpage>2388</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1761629</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kennel</surname>
<given-names>C. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petschek</surname>
<given-names>H. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1966</year>). <article-title>Limit on stably trapped particle fluxes</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>71</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>28</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/JZ071i001p00001</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kurth</surname>
<given-names>W. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>De Pascuale</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Faden</surname>
<given-names>J. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kletzing</surname>
<given-names>C. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hospodarsky</surname>
<given-names>G. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thaller</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Electron densities inferred from plasma wave spectra obtained by the Waves instrument on Van Allen Probes</article-title>. <source>JGR. Space Phys.</source> <volume>120</volume>, <fpage>904</fpage>&#x2013;<lpage>914</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/2014JA020857</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ni</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thorne</surname>
<given-names>R. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bortnik</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Green</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kletzing</surname>
<given-names>C. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Constructing the global distribution of chorus wave intensity using measurements of electrons by the POES satellites and waves by the Van Allen Probes</article-title>. <source>Geophys. Res. Lett.</source> <volume>40</volume>, <fpage>4526</fpage>&#x2013;<lpage>4532</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/grl.50920</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lyons</surname>
<given-names>L. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Williams</surname>
<given-names>D. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1984</year>). <source>Quantitative aspects of magnetospheric physics</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>.styled</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bortnik</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thorne</surname>
<given-names>R. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ozeke</surname>
<given-names>L. G.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Quantitative evaluation of radial diffusion and local acceleration processes during GEM challenge events</article-title>. <source>JGR. Space Phys.</source> <volume>123</volume>, <fpage>1938</fpage>&#x2013;<lpage>1952</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/2017JA025114</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Malaspina</surname>
<given-names>D. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jaynes</surname>
<given-names>A. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elkington</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chan</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hospodarsky</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wygant</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Testing the organization of lower-band whistler-mode chorus wave properties by plasmapause location</article-title>. <source>JGR. Space Phys.</source> <volume>126</volume>, <fpage>e2020JA028458</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2020JA028458</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Meredith</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horne</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>X.-C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bortnik</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Global model of whistler mode chorus in the near-equatorial region (&#x7c;&#x3bb;m&#x7c;&#x3c; 18&#xb0;)</article-title>. <source>Geophys. Res. Lett.</source> <volume>47</volume>, <fpage>e2020GL087311</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2020GL087311</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ni</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thorne</surname>
<given-names>R. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bortnik</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Green</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kletzing</surname>
<given-names>C. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>A novel technique to construct the global distribution of whistler mode chorus wave intensity using low-altitude POES electron data</article-title>. <source>J. Geophys. Res. Space Phys.</source> <volume>119</volume>, <fpage>5685</fpage>&#x2013;<lpage>5699</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/2014JA019935</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nicholson</surname>
<given-names>D. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1983</year>). <source>Introduction to plasma theory</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley</publisher-name>.styled</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Omura</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hikishima</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Katoh</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Summers</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yagitani</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Nonlinear mechanisms of lower-band and upper-band VLF chorus emissions in the magnetosphere</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>114</volume>, <fpage>A07217</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2009JA014206</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pettit</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Randall</surname>
<given-names>C. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peck</surname>
<given-names>E. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Harvey</surname>
<given-names>V. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A new MEPED-based precipitating electron data set</article-title>. <source>J. Geophys. Res. Space Phys.</source> <volume>126</volume>, <fpage>e2021JA029667</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2021JA029667</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pettit</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Randall</surname>
<given-names>C. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peck</surname>
<given-names>E. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Marsh</surname>
<given-names>D. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>van de Kamp</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Atmospheric effects of &#x3e;30-keV energetic electron precipitation in the southern hemisphere winter during 2003</article-title>. <source>JGR. Space Phys.</source> <volume>124</volume>, <fpage>8138</fpage>&#x2013;<lpage>8153</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2019JA026868</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Reidy</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horne</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Glauert</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Clilverd</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meredith</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woodfield</surname>
<given-names>E. E.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Comparing electron precipitation fluxes calculated from pitch angle diffusion coefficients to LEO satellite observations</article-title>. <source>JGR. Space Phys.</source> <volume>126</volume>, <fpage>e2020JA028410</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2020JA028410</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ross</surname>
<given-names>J. P. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Glauert</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horne</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Watt</surname>
<given-names>C. E. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meredith</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>On the variability of EMIC waves and the consequences for the relativistic electron radiation belt population</article-title>. <source>JGR. Space Phys.</source> <volume>126</volume>, <fpage>e2021JA029754</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2021JA029754</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ross</surname>
<given-names>J. P. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Glauert</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horne</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Watt</surname>
<given-names>C. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meredith</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woodfield</surname>
<given-names>E. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>A new approach to constructing models of electron diffusion by EMIC waves in the radiation belts</article-title>. <source>Geophys. Res. Lett.</source> <volume>47</volume>, <fpage>e2020GL088976</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2020GL088976</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Selesnick</surname>
<given-names>R. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yando</surname>
<given-names>K. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Millan</surname>
<given-names>R. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Redmon</surname>
<given-names>R. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>POES/MEPED angular response functions and the precipitating radiation belt electron flux</article-title>. <source>JGR. Space Phys.</source> <volume>125</volume>, <fpage>e2020JA028240</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2020JA028240</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tao</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chan</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Albert</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miller</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Stochastic modeling of multidimensional diffusion in the radiation belts</article-title>. <source>J. Geophys. Res.</source> <volume>113</volume>, <fpage>A07212</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2007JA012985</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X.-J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mourenas</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Artemyev</surname>
<given-names>A. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Angelopoulos</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bortnik</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thorne</surname>
<given-names>R. M.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Nonlinear electron interaction with intense chorus waves: Statistics of occurrence rates</article-title>. <source>Geophys. Res. Lett.</source> <volume>46</volume>, <fpage>7182</fpage>&#x2013;<lpage>7190</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1029/2019GL083833</pub-id>styled</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chan</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Albert</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elkington</surname>
<given-names>S. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Koller</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horne</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Three-dimensional stochastic modeling of radiation belts in adiabatic invariant coordinates</article-title>. <source>J. Geophys. Res. Space Phys.</source> <volume>119</volume>, <fpage>7615</fpage>&#x2013;<lpage>7635</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/2014JA020127</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
<app-group>
<app id="app1">
<title>Appendix A: Whistler dispersion relation</title>
<p>The cold plasma dispersion relation is (<xref ref-type="bibr" rid="B3">Bellan, 2006</xref>):<disp-formula id="eA1">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A1)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the index of refraction and <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>tan</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> where <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the wave normal angle (defined such that <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for waves propagating parallel to <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The Stix parameters in the cold plasma dispersion relation are<disp-formula id="eA2">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A2)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA3">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A3)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA4">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A4)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA5">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A5)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA6">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The Whistler mode is obtained by solving <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for wave frequencies at approximately <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. While oblique propagating Whistler waves (<inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has a component orthogonal to the background magnetic field) are important in radiation belt interactions, we will analyze the simpler case of parallel propagating waves. With <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and noting <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the dispersion relation simplifies to<disp-formula id="eA7">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A7)</label>
</disp-formula>From <xref ref-type="disp-formula" rid="eA4">Eq. A4</xref>, <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> only occurs if <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This occurs when <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and therefore is the Langmuir mode, so we can divide out <italic>P</italic>. Solving for <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the two solutions are<disp-formula id="eA8">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A8)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="eA9">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The Whistler mode corresponds to the <italic>R</italic>-mode solution, and Electromagnetic ion-cyclotron (EMIC) waves come from the <italic>L</italic>-mode solution, so we have<disp-formula id="eA10">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>From the definitions of <italic>S</italic> and <italic>D</italic>, and ignoring ion terms,<disp-formula id="eA11">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We are interested in solutions where <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with the strict inequality of <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, we can rearrange the denominator in the second term to obtain<disp-formula id="eA12">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This shows that <italic>R</italic> is strictly positive in the Whistler regime <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and therefore <xref ref-type="disp-formula" rid="eA10">Eq. A10</xref> has real solutions.</p>
<p>With <xref ref-type="disp-formula" rid="eA10">Eqs A10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="eA12">A12</xref>, we obtain the dispersion relation for parallel propagating Whistler waves:<disp-formula id="eA13">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3a9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(A13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In <xref ref-type="sec" rid="s4-2">Section 4.2</xref> we use this dispersion relation along with the Landau/cyclotron resonance condition to solve for the Whistler mode frequency that is resonant with electrons at a specified energy and pitch angle.</p>
</app>
</app-group>
</back>
</article>