Rekonnexion: Verschiedene Längenskalen und Teilsturm-Effekte

Magnetische Rekonnexion ist ein fundamentaler und universeller Prozess der sich auf unterschiedlichen Längenskalen in Weltraumplasmen abspielt. Er zeichnet sich verantwortlich für die explosive Umwandlung großer Mengen magnetischer Energie in thermische und kinetische Plasmaenergie. Als universeller Prozess findet magnetische Rekonnexion in astrophysikalischen Plasmen, in der Sonnenkorona, im Sonnenwind und in planetaren Magnetosphären statt. Dabei werden hochenergetische Teilchen beschleunigt und Plasmajets von hoher Geschwindigkeit erzeugt. In der Erdmagnetosphäre führt magnetische Rekonnexion zu großskaligen explosiven Störungen der Magnetosphäre (magnetische Teilstürme), die gravierende Konsequenzen für die Magnetosphärendynamik und das Funktionieren der technologisierten menschlichen Gesellschaft (Einfluss auf Stromnetzwerke, GPS, Radio- und Satellitenkommunikation) besitzen. Momentan untersucht die ambitionierte internationale Multi-Raumsondenmission MMS (Magnetospheric Multi- Scale) den Rekonnexionsprozess auf jenen kleinen Längenskalen auf denen Elektronen sich unabhängig vom Magnetfeld bewegen und daher für magnetische Rekonnexion bedeutsam sind. Die MMS Mission besteht aus vier identischen Raumsonden, ausgestattet mit Messgeräten um Plasma- und Magnetfeldgradienten in höchstmöglicher zeitlicher Auflösung zu messen und räumliche von zeitlichen Variationen zu unterscheiden. Die einzigartigen Beobachtungsmöglichkeiten von MMS erlauben uns den wissenschaftlichen Rahmen von MMS zu erweitern um ein besseres Verständnis vom Rekonnexionsprozess und seinen Auswirkungen auf den Magnetschweif zu erhalten. Die Ziele dieses Projekts sind die Entwicklung eines semi-analytischen und numerischen Modells sowie von Fernerkundungswerkzeugen um Informationen über den Rekonnexionsprozess und seine Auswirkungen auf magnetische Teilstürme zu erhalten. Durch die Kombination von theoretischer Analyse, numerischer Simulationen [u.a. Particle-in-Cell (PIC) und globale Magnetohydrodynamik (MHD)] und Raumsondenbeobachtungen (u.a. MMS, THEMIS, Cluster, DMSP, POES) wollen wir folgende Arbeiten in Angriff nehmen: (1) Entwicklung des ersten semi-analytischen Modells zeitunabhängiger Rekonnexion unter Abdeckung der Elektronen-, Ionen- und MHD-Skalen. Vergleich des Modells mit Resultaten von PIC Simulationen und MMS Beobachtungen. (2) Entwicklung eines Algorithmus zur inversen Problemlösung um essentielle Rekonnexionsparameter aus Raumsondenbeobachtungen im Rekonnexionsgebiet zu gewinnen. Validierung des Algorithmus mittels PIC Simulationen und Überprüfung mittels MMS Beobachtungen. (3) Untersuchung von Prozessen nahe der Separatrix in ausreichender Distanz zum Rekonnexionsgebiet um deren Zusammenhang mit der Struktur des Rekonnexionsgebiets zubestimmen. Untersuchung vonEinflüssender Rekonnexionsaktivität und des Teilsturm-Stromkeils (SCW) auf starke Bewegungen der Plasmagrenzschicht (PSBL). Entwicklung von Methoden um via Fernerkundung Rekonnexionsparamter während entfernter Separatrix-Querungen zu bestimmen. (4) Untersuchung des Einflusses von beschleunigtem Plasma (BBFs) und Teilsturm- assoziierten Stromsystemen auf die Plasmaschichtdynamik unter der Verwendung von Raumsondenbeobachtungen und globaler MHD Simulationen. Dabei wird auch auf die Abbremsregion (flow braking region) und Teilcheninjektionen in die innere Magnetosphäre Bedacht genommen. (5) Untersuchung von Teilchen-Welle-Wechselwirkung in BBFs, welche zur Erhöhung der Elektronentemperatur, Teilchenregen in die Ionosphäre und die Abbildung von Plasmaströmen in Form von Polarlichtern führen kann. (6) Untersuchung der globalen Effekte von Teilstürmen durch Einbeziehung einer Vielzahl an Raumsonden in Kombination mit adaptiven Magnetosphärenmodellen und bodenbasierenden Beobachtungen, inklusive einer neuen Methode um die regionale Charakteristik des Polarlicht-Elektrojets zu berechnen.

Die Magnetfeld Rekonnexion ist ein universeller multi-skaliger Prozess in Weltraumplasmen, der für die Umwandlung von magnetischer Energie in Plasmaerwärmung, die Bildung schneller Plasmastrahlen und die Beschleunigung hochenergetischer Teilchen verantwortlich ist. Die Rekonnexion ist verantwortlich für explosive Ereignisse in astrophysikalischen Plasmen, der Sonnenkorona, im Sonnenwind und planetarischen Magnetosphären. In der Erdmagnetosphäre führt die Rekonnexion zu großräumigen explosiven Störungen im Magnetschweif (magnetische Teilstürme), die Auswirkungen auf die Magnetosphärendynamik und auf das Funktionieren der menschlichen Gesellschaft haben, als Weltraumwetter bekannt. In der Erdmagnetosphäre hat man die einzigartige Möglichkeit, den Verschmelzungsprozess in situ zu untersuchen. Derzeit läuft das ehrgeizige Mehrsondenprojekt MMS (Magnetospheric MultiScale Mission), das sich mit der Physik der Rekonnexion bis hinunter zu den Trägheitsskalen der Elektronen beschäftigt und ein ergänzendes theoretisches Programm mit numerischen Simulationen umfasst. Vier identische MMS-Weltraumsonden sind in der Lage, räumliche und zeitliche Variationen in höchster Qualität zu erkennen. Wir haben die neuen Beobachtungsmöglichkeiten von MMS genutzt, um semi-analytische und numerische Modelle des Rekonnexionsprozesses und Methoden/Instrumente für dessen Fernerkundung zu entwickeln. In Verbindung mit Cluster, THEMIS und anderen niedrig fliegenden Raumsonden, sowie mit Magnetometer- und All-Sky-Imager-Beobachtungen am Boden, untersuchten wir auch einige der für die Magnetfeldverschmelzung wichtigen globalen Folgen von magnetischen Teilstürmen. Dies sind die wichtigsten Ergebnisse des Projekts: (1) Wir haben ein magnetohydrodynamisches Pilotmodell für Elektronen der stationären Rekonnexion konstruiert und es auf MMS-Daten angewandt, um grundlegende Parameter des Prozesses aus Beobachtungen von Raumsonden, welche die Rekonnexionsregion durchqueren, zu rekonstruieren. (2) Wir entwickelten ein Fernerkundungsschema als alternative Methode zur Ableitung der zeitlichen und räumlichen Veränderungen der Magnetschweif-Rekonnexion. Wir wendeten diese Methode zur Untersuchung der Prozesse in der Nähe der Rekonnexionsseparatrix, die weit entfernt von der Rekonnexionslinie ist, an, um ihre Beziehung zur Struktur der multi-skaligen Rekonnexionsregion zu verstehen. (3) Identifizierung von meso-skaligen Strömungsausbrüchen (BBFs), die durch Rekonnexion erzeugt werden, und von solchen, die mit der Ballon-Interchange-Instabilität zusammenhängen, Klärung ihrer Beziehung zu den globalen Magnetschweif-(Re-)Konfigurationen (globale Magnetschweif-Dipolarisation und lokale Magnetfeldminima), zum Teilsturm-Stromsystem (globales R1/R2-Stromsystem und lokale Beiträge zum System) und zu spezifischen Polarlichtformen (Perlen, Pseudo-Aufbrüche und dem Einsetzen eines magnetischen Teilsturms). (4) Untersuchung der Welle-Teilchen-Wechselwirkungen in den Strömungsausbrüchen aufgrund von Whistler-Wellen, die offensichtlich eine wichtige Rolle beim Energieaustausch zwischen verschiedenen Teilen der Elektronenverteilungsfunktion spielen und für Teilchenausfällungen in der Ionosphäre sorgen. (5) Entdeckung von Signaturen des Eindringens von Plasmablasen in die innere Magnetosphäre in Form eines starken stufenförmigen Anstiegs des energetischen Protonenflusses in der nächtlichen Polarlichtzone, begleitet von einem verringerten Verlustkegel energetischer Elektronen. (6) Einsatz von konjugierten Multi-Skalen-Multi-Punkt-Beobachtungen (sechs Raumsonden) von Cluster-MMS zur Untersuchung der Entwicklung des aktiven Magnetschweifs und der damit verbundenen Elektronenbeschleunigung und feldausgerichteten Ströme.