A New Approach to Flapping Oscillations in the Magnetotail Current Sheet

Im Magnetschweif der Erde existiert eine Stromschicht, die sich häufig in Nord-Süd-Richtung bewegt. Diese Bewegung wird als sogenannte "flapping motion" oder "flapping oscillation" bezeichnet. Frühe Interpretationen assoziierten diese "flapping motion" mit sogenannten "kink"-artigen Störungen, die sich zu den Flanken der Stromschicht hin ausbreiten. Beobachtungen von Cluster und statistische Analysen bestätigen solch eine Sicht und deuten an, dass die Quelle für diese Wellen im Zentrum des Magnetschweifes liegt. Neueste Untersuchungen weisen auf eine Verbindung von sogenannten "Bursty Bulk Flows" (BBFs) und den "flapping oscillations" hin. Es scheint auch, dass solche Wellen eng mit schnellen Plasmateilchen, die durch magnetische Rekonnexion entstehen, in Beziehung stehen. Dieses Joint Project schlägt einen neuen Mechanismus von magnetohydrodynamischen (MHD) in der Stromschicht vor, welche gekoppelt sind an einen Gradienten der Normalkomponente des Magnetfeldes. Je nachdem in welche Richtung der Gradient zeigt, führt eine kleine Störung entweder zu einer Instabilität oder zu Wellen, die sich zu den Flanken der Stromschicht ausbreiten. Die primären Ziele diese Projektes sind (1) die Untersuchung der Eigenschaften und Dynamik der "flapping oscillations" im Magnetschweif der Erde für unterschiedliche Konditionen und Dicken der Stromschicht und (2) die Klärung der Frage nach dem Erzeugungsmechanismus für "kink"-artige Störungen und nach einer möglichen Verbindung zu ionosphärischen Phänomenen durch diese Prozesse. Diesen Fragestellungen wird mit theoretischen Modellen als auch mit Hilfe der Analyse von Beobachtungen nachgegangen. Zwei nichtlineare, 3-D MHD Modelle werden im Laufe dieses Projektes entwickelt: eines im Rahmen von idealer "one-fluid" MHD, und eines im Rahmen von "multi-fluid" MHD mit dem Effekt des endlichen Larmor Radius (FLR) und mit Hall-Effekten. Die Ergebnisse beider Modelle werden miteinander verglichen, um den Einfluss dieser Teilcheneffekte (FLR- und Hall-Effekte) und der Dicke der Stromschicht abschätzen zu können. Weiters wird ein 3-D, semi-analytisches, zeitabhängiges Model der magnetischen Rekonnexion entwickelt, um die Rolle dieses Prozesses für die "flapping oscillations" analysieren zu können. Mit diesen Modellen wird die folgende Kausalitätskette untersucht werden: magnetische Rekonnexion -> beschleunigte magnetische Flussröhren und BBFs -> "flapping oscillations" -> ionosphärische Phänomene. Neben Cluster-Messungen, welche eine gute Möglichkeit geben, zeitliche und örtliche Prozesse aufzulösen, werden auch Messungen der THEMIS Mission in die Datenanalyse miteinbezogen. Beobachtungen von THEMIS eröffnen die Möglichkeit, zeitliche Zusammenhänge zwischen Rekonnexion, magnetischen Flussröhren und BBFs und dem Auftreten von "flapping oscillations" zu studieren. Somit verbindet dieses Projekt in einer umfassenden Methode theoretische Untersuchungen mit der Analyse von Daten.

Dieses Projekt befasste sich mit dem Auftreten und der Entwicklung der sogenannten flapping oscillations, welche als quasi-periodische Störungen in der Stromschicht im Erdmagnetschweif auftreten und auch durch Beobachtungen belegt sind. Das Auftreten dieser Störungen kurz vor der Entstehung eines Substorms ist allgemein bekannt. Typischerweise werden die flapping oscillations für die Bedingungen im Erdmagnetschweif im zentralen Bereich des mittleren Schweifes in Entfernungen von 10-30 Erdradien beobachtet. Sie breiten sich zu den Flanken des Schweifes hin aus, mit Geschwindigkeiten von einigen 10 km/s, mit Amplituden und Wellenlängen von einigen Erdradien und Quasiperioden von einigen Minuten. Wir konzentrierten uns auf zwei Forschungsfragen in diesem Projekt: Welche Eigenschaften der Stromschicht im Magnetschweif begünstigen/verhindern die Störungen? Was führt zur Stabilisierung/Destabilisierung der Moden? Wir konnten zeigen, dass mehrere Faktoren diesbezüglich eine große Bedeutung haben.Die wichtigste Rolle spielt die Richtung des Anstiegs der Magnetfeldkomponente normal zur Ekliptikebene, Bz. Zufällige Fluktuationen des Magnetfeldes und der Plasmaparameter können exponentiell mit der Zeit anwachsen (flapping instability), wenn Bz schweifwärts zunimmt, und sich dann in Richtung der Flanken der Stromschicht ausbreiten (flapping wave), wenn sich die Richtung des Bz -Anstiegs umkehrt. Dieser Anregungsmechanismus scheint auf den ersten Blick sehr häufig zu sein, da die Richtung der Zunahme der Bz -Komponente im mittleren Schweif auf Zeitskalen von ca. 10 min vor einem Substorm stark schwankt. Trotzdem werden flapping oscillations nicht so oft beobachtet, wie es dieses Resultat vermuten lässt. Eine sehr effektive Stabilisierung geht vom sogenannten guide field aus einer Magnetfeldkomponte normal (y) zur Sonne-Erde-Linie (x) und normal zur Ekliptikebene (z). Ein kleines By reduziert schon die Wachstumsrate der flapping instability und führt zu einer typischen, am schnellsten wachsenden Wellenlänge von der Größenordnung der Stromschichtdicke. Vollständige Dämpfung der Mode tritt bei By -Werten ein, die in etwa halb so groß wie die Magnetfeldstärke weit oberhalb (unterhalb) der Ekliptikebene sind.Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Krümmungsradius der Magnetfeldinien, Rc, welcher nicht zu groß sein sollte, damit sich flapping oscillations ausbilden können. Magnetische Flussröhren sollten eine hinreichend große Ausdehnung haben, damit sich Wellenlängen l ausbilden können, für die gilt Rc < l < L, wobei L die typische Ausdehnung der Stromschicht in x-Richtung ist. Ein größeres Rc führt zu einer erheblichen Stabilisierung der Mode.Zu guter Letzt konnten wir zeigen, dass auch eine ungleichmäßige Beschleunigung der Plasmaströmung flapping Bewegungen sowohl im Zentrum als auch an den Flanken der Stromschicht auslösen kann. Im Zentrum der Schicht werden solche Ströme durch nichtstationäre Rekonnexion hervorgerufen. An den Flanken lösen Verwerfungen des interplanetaren Magnetfelds um die Magnetosphäre und Rekonnexion an der Magnetopause solche Bewegungen aus. Die Resultate dieses Projekts sind relevant für alle Plasmakonfigurationen mit ausgedehnten Stromschichten, wie in Planetenmagnetosphären oder in der Sonnenkorona.