Dünne Stromschichten im Magnetschweif der Erde

Stromschichten sind typische Phänomene in Weltraumplasmen, sie entstehen an Grenzschichten zwischen Plasmen und/oder magnetischen Feldern mit unterschiedlichem Ursprung. Beispiele außerhalb der Erdmagnetosphäre sind heliosphärische und planetare magnetosphärische Stromschichten sowie koronale Filamente. Während die globalen Eigenschaften der Stromschicht des terrestrischen Magnetschweifes sehr gut als Prozess auf der MHD-Skala verstanden werden können - sie resultieren durch Wechselwirkung zwischen dem interplanetaren magnetischen Feld und dem intrinsischen Erdmagnetfeld - finden wichtige Prozesse der Energieumsetzung in dünnen Stromschichten mit Dimensionen von einigen Ionen-Inertiallängen und darunter statt. Ein Beispiel dafür ist magnetische Rekonnektion, zugleich einer der Schlüsselprozesse bei dünnen Stromschichten, mit Umwandlung von magnetischer Energie in kinetische Teilchenenergie und Einfluss auf die großräumige Dynamik des Magnetschweifs der Erde durch explosive Dissipation von Energie während magnetischer Stürme und Teilstürme. Die vorgeschlagene Studie hat als Ziel ein umfassendes Verständnis von Prozessen in dünnen Stromschichten durch Untersuchungen bei unterschiedlichen Bedingungen zu erlangen, d.h. sowohl während einigermaßen stabiler Konfigurationen als auch bei aktiven Stromschichten wenn Rekonnektion auftritt. Weiters wird die Übergangsphase zwischen der ruhigen und aktiven Stromschicht untersucht. Die drei Schlüsselfragen lauten: (1) "Wie bilden sich dünnen Stromschichten?", (2) "Wie kommt es zur Aktivierung der dünnen Stromschicht und zum Beginn der Rekonnektion?", (3) "Wie sind dünne Stromschichten strukturiert in der Rekonnektions-Region?". Drei Arbeitspakete sind in dieser Forschungsarbeit geplant. Sie dienen zur Beantwortung der drei Schlüsselfragen basierend auf umfassenden Analysen von Mehrpunkt-Beobachtungen von Cluster und THEMIS. WP1. Analyse von stabilen/ruhigen, dünnen Stromschichten WP2. Analyse der Übergangsphase von ruhigen zu gestörten Stromschichten (Beginn von Rekonnektion) WP3. Analysen von instabilen/aktiven, dünnen Stromschichten Die Mehrpunkt-Daten erlauben ein Verständnis von dünnen Stromschichten auf unterschiedlicher räumlicher und zeitlichen Skala durch Analysen von stabilen Stromschichten und durch Analysen von dynamischen Stromschichten. Erstere erlauben ein Verstehen der langsamen Ausbildung einer dünnen Stromschicht und zeigen die Bedingungen der dünnen Stromschicht unmittelbar vor der Aktivierung, während die Untersuchung von aktiven Stromschichten und ihrer zeitlichen/räumlichen Entwicklung Einblicke auf Änderungen in der Topologie sowie resultierende Prozesse in der Teilchenbeschleunigung liefert. Die Resultate dieser komplementären Datenanalysen werden verglichen mit geeigneten theoretischen Modellen um die Moden der Instabilität oder eingängige Szenarien der Evolution von dünnen Stromschichten bestimmen zu können.

In diesem Projekt haben wir Stromschichtprozesse in der Erdmagnetosphäre untersucht. Stromschichten werden an Grenzen zwischen Regionen mit unterschiedlichen Plasma und magnetischen Feldern gebildet. Sie sind wichtige Orte für Energieumwandlungsprozesse mit großen Auswirkungen wie magnetische Stürmen und Teilstürmen, die die wichtigsten Manifestationen des Weltraumwetters sind. Unter den verschiedenen Stromschichtprozessen ist die magnetische Rekonnektion ein wichtiger Prozess für Plasmamischung und Beschleunigung von Teilchen. Die Rekonnektion ist im gesamten Sonnensystem einschließlich der Erde und andere Planetenumgebungen, in Sonneneruptionen sowie im Sonnenwind von großer Bedeutung. Multi-Raumsonden-Beobachtungen von der ESA Cluster Mission und NASA THEMIS Mission boten ideale Daten für die Untersuchung der Stromschicht in Magnetschweif der Erde. Mit den Daten von Cluster, wo die vier Satelliten eine Tetraeder-Konfiguration bilden, kann man die Gradienten im 3D-Raum bestimmen. Die fünf THEMIS Raumschiff, die im größeren Abstände voneinander fliegen, bieten gleichzeitig die Daten von verschiedener Regionen des Magnetschweifs und ermöglichen es, Veränderungen auf großen räumlichen Skalen zu studieren. In diesem Projekt wurden Daten von dieser komplementären Mission ausgewertet und neue Kenntnisse über die großräumige Entwicklung der dünnen Stromschicht sowie die lokalen Aktivierungsprozesse der Stromschichten erworben. Bei den Untersuchungen haben wir verschiedene Multi-Point-Datenanalysemethoden angewendet, um die Evolution der dünnen Stromschicht vor Aktivitätsbeginn zu aktivieren, zu analysieren sowie die genaue Stromschichtstruktur in der aktiven Region zu bestimmen. Insbesondere haben wir die drastischen zeitlichen/räumlichen Veränderungen in der Magnetfeldkomponente senkrecht zur Stromschicht identifiziert, die eine lokalisierte dünne Stromschicht vor der Aktivierung bilden. Eine solche Konfiguration führt zu Instabilitäten, die Rekonnexion verursachen, wo magnetische Energie in Teilchenenergie umgewandelt wird. Basierend auf detaillierten Analysen haben wir einige neue unerwartete Stromschichtstrukturen in der Rekonnexionregion gefunden. Dazu gehören asymmetrische Stromschicht und kleine magnetischen Flussseile (Wendelmagnetfeldstrukturen) außerhalb des Zentrums der Stromschicht. Diese unerwarteten dynamischen 3D-Signaturen in den Rekonnexionregion haben wichtige Implikationen auch für die Simulation / theoretische Arbeit und wartet auf weitere detaillierte Analyse mit der zukünftigen Magnetospheric Multiscale Mission (MMS).