Elektronendynamik und Magnetschweifstruktur

Die Magnetosphäre der Erde entsteht als Folge der Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und dem Erdmagnetfeld. Der Sonnenwind verschert das terrestrische Dipolfeld, dehnt die Magnetosphäre auf der Nachtseite und bildet den Magnetschweif, wo im Zentrum zwischen den Regionen mit gegengerichteten Magnetfeld der Magnetschweifstrom entsteht. Multi-Punkt Raumschiff-Missionen, wie Cluster und THEMIS, bieten wichtige neue In-situ-Beobachtungen des Weltraumplasma durch die Möglichkeit der Differenzierung zwischen räumlichen Strukturen und zeitlichen Veränderungen. Durch die Verwendung von Daten vor allem der Cluster- und THEMIS-Missionen, kombiniert mit empirischen und theoretischen Modellierungen, haben wir die Entwicklung und Struktur der dünnen Schweifstromschichten in einem früheren Joint Projekt (I429 - N16) untersucht. Die Eigenschaften der Ionenstromschicht in ruhigen Zeiten sowie während der Rekonnexion wurden bestimmt. Genaue räumliche Gradienten wurden berechnet und mit den Teilchenmessungen verglichen, um die Rolle nicht-adiabatischer Ionen bei der Bildung der Schweifstromschicht zu untersuchen. Um die Elektronendynamik in einer noch dünneren Stromschicht zu analysieren, fehlen jedoch bei den aktuellen Missionen die nötige räumliche und zeitliche Auflösung. Deshalb sind eine besondere Behandlung der Daten oder Annahmen über Orientierung oder Bewegung der Strukturen nötig. Eine Analyse der Elektronendaten ermöglicht auch die Dynamik des Magnetschweifs in größeren Strukturen zu bestimmen und somit langperiodischen Prozesse zu untersuchen, da die Elektronen adiabatisch reagieren. Der Schwerpunkt der neuen Untersuchungen wird in der Analyse des Magnetschweifs an Hand dieser Eigenschaften der Elektronen liegen. Weiterhin bietet sich eine neue Chance zur Untersuchung von Elektronenprozessen mit dem Start einer neuen Mission, NASAs Magnetospheric MultiScale (MMS) erwartet für Ende 2014 . In diesem Vorschlag untersuchen wir die Elektronen im Magnetschweif auf multiplen Skalen, an Hand von Daten der laufenden Multi-Point-Missionen Cluster und THEMIS, kombiniert mit der neuen NASA Mission MMS. Die Hauptfragen, die die Studie beantworten soll, sind: 1. Wie verhalten sich die Elektronen bei der Entwicklung verschiedenartiger Störungen in der Stromschicht? 2 . Was ist die Rolle der Elektronen bei der Entwicklung der großräumigen Struktur des Magnetschweifs? Die Einzigartigkeit der Studie ist, dass wir die Störungen der Stromschicht durch die Analyse der Elektronen in unterschiedlicher Weise und auf verschiedenen Skalen untersuchen. Feldparallele Elektronenprozesse, einschließlich der Kopplung an die Ionosphäre, werden ebenfalls untersucht. Die IWF- und IKI-Teams haben eine lange Erfahrung in der Datenanalyse und der Zusammenarbeit. Die Resultate werden voraussichtlich nicht nur unsere Kenntnis der Magneto-Plasma-Prozesse in Erdnähe bereichern, sondern auch anwendbar sein in anderen planetaren Magnetschweifen oder anderen magnetisierten Körpern im Weltraum.

Elektronendynamik und Magnetschweifstruktur Zusammenfassung Der Weltraum ist ausgefüllt mit Plasma, einem ionisierten Hochtemperaturgas, das aus Elektronen, Protonen und anderen Ionen besteht und mit dem magnetischen / elektrischen Feld interagiert. Die Erdmagnetosphäre entsteht als Folge der Wechselwirkung zwischen den Plasmaströmen des Sonnenwinds, die ein interplanetares Magnetfeld mitführen, und dem terrestrischen Magnetfeld mit den Plasmen. Die ausgedehnte Magnetosphäre an der Nachtseite wird daher als Magnetschweif bezeichnet und stellt einen Schwerpunkt im Forschungsprojekt dar. In diesem Projekt untersuchten wir sowohl mikro-skalige als auch globale Prozesse, die die Magnetschweifstruktur und -dynamik bestimmen, basierend auf die Datenanalyse der Mehrpunkt-missionen CLUSTER von ESA und THEMIS und MMS von NASA. Insbesondere haben wir uns auf die Dynamik der Elektronen konzentriert, die die schnellste und leichteste Plasmakomponente darstellt. Die Elektronendynamik war aufgrund der Schwierigkeiten einer genauen Messung weniger bekannt, konnte jedoch mit MMS, gestartet im Jahr 2015, detailliert analysiert werden. Die Daten wurden mit verschiedenen Methoden, die teilweise im Projekt entwickelt worden sind, analysiert. Die Ergebnisse der Beobachtungen wurden mit der numerischen Simulation verglichen. Dies ist ein nützliches Werkzeug, um die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen zu bestätigen. Unter verschiedenen Prozessen im Magnetschweif haben wir dynamische Prozesse wie die sogenannte "Magnetische Rekonnexion", bei der magnetische Energie in Partikelenergie umgewandelt wird, die zu einer großräumigen Konsequenz führt, untersucht. Die wichtigste Konsequenz im Magnetschweif ist der sogenannte "Teilsturm oder Sturm", der die spektakuläre Aurora und die abrupte Zunahme der energetischen Teilchen im erdnahen Weltraum, die sogenannte "Injektion", verursacht. Dank der hochauflösenden Daten von MMS konnten wir erstmals die Elektronenbeschleunigung in einer symmetrischen magnetischen Stromschicht, der Rekonnexionregion quantitativ erklären, was auch durch die Ergebnisse der kinetischen Simulation mit vollständigen Partikeln gestützt wurde. Weiterhin wurden neue Erkenntnisse der feldausgerichteten Elektronenprozesse, einschließlich der Kopplung an die Ionosphäre erworben. Die Elektronendynamik und die großräumige Magnetschweifstruktur spielen eine wichtige Rolle bei der explosiven Energieübertragung bei Teilstürmen und Stürmen, die eines der wichtigsten Weltraumwetterphänomene sind, die unser technologisches Leben für Kommunikation und Navigation erheblich beeinflussen.