Gebogene Stromschicht: Ein möglicher Katalysator für Teilstürme

Für den Onset geomagnetischer Teilstürme wird im Allgemeinen eine Instabilität in der Stromschicht des geomagnetischen Schweifs angenommen, die in der Übergangszone von schweifartigen zu dipolartigen magnetischen Feldlinien auftritt. Kandidaten für diese Instabilität sind die Ballooning/Interchange Instabilität (BICI) und Double-Gradient Instabilität (DGI). Bis dato wurden Untersuchungen dieser Instabilitäten unter der Annahme einer symmetrischen Stromschicht angenommen. Das interplanetare Magnetfeld, der Sonnenwind sowie die Neigung des geomagnetischen Dipols beeinflussen allerdings die Form und Inklination der Stromschicht. Unter realistischen Bedingungen ist die Stromschicht also geneigt und nicht symmetrisch. Dieser Effekt wurde bisher nicht in Betracht gezogen. Ziel dieses Projekts ist es, den Effekt einer geneigten Stromschicht auf den Onset von Teilstürmen und die Formation und Evolution von BICI und DGI zu untersuchen. Zu diesem Zweck wollen wir Antworten auf die folgenden wissenschaftlichen Fragen finden: (1) Begünstigt eine geneigte Stromschicht die Formation von Instabilitäten? (2) Können Instabilitäten in einer geneigten Stromschicht schneller anwachsen? (3) Begünstigt eine geneigte Stromschicht den Onset von Teilstürmen? (4) Beschleunigt magnetische Rekonnexion das Anwachsen von Instabilitäten? Somit wollen wir eine geneigte Stromschicht bezüglich (1) ihrer Stabilität (2) des Zusammenspiels verschiedener Wellentypen (3) ihrer Relation zu Teilstürmen und (4) den Einfluss von Rekonnexion auf die Evolution von Instabilitäten untersuchen. Um diese Ziele zu erreichen, planen wir analytische und numerische Methoden zu verwenden, sowie die Auswertung von Satellitendaten in enger Zusammenarbeit mit unseren internationalen Partnern miteinzubeziehen. Um die Bedeutung von Elektronenströmen und kinetischer Effekte während der Entstehung von Instabilitäten zu erforschen, planen wir ein analytisches Hall-MHD (HMHD) Modell der DGI für symmetrische und gebogene Stromschichtkonfigurationen zu verwenden. Diese Untersuchungen werden ergänzt durch nichtlineare 3D MHD und HMHD sowie 3D PIC Simulationen. Die nichtlineare BICI/DGI Evolution in symmetrischen und gebogenen Stromschichten wird mittels zuvor genannter 3D Simulationen (MHD/HMHD/PIC) durchgeführt. Das Zusammenspiel von unterschiedlichen Wellentypen wird mittels eines magnetic filament Ansatzes gelöst um die gemeinsame zeitliche Entwicklung und mögliche Dominanz eines Wellentyps zu untersuchen. Für Untersuchungen des Zusammenspiels von Rekonnexion mit Instabilitäten wird ein 2.5D Elektronen-Hall MHD entwickelt um die Stabilität einer realistischen Magnetschweifkonfiguration zu untersuchen und die Elektronenstromschicht zu rekonstruieren. Die analytischen und numerischen Untersuchungen werden von Beobachtungen der THEMIS und MMS Missionen unterstützt. Diese Multi-Raumsonden-Missionen erlauben uns Instabilitätsstrukturen gleichzeitig von unterschiedlichen Beobachtungspunkten und über unterschiedliche Skalen von der Elektronen zur MHD Skala zu studieren. Es wird also ein umfassender Zugang gewählt, der theoretischen und numerische Studien sowie Datenanalyse unter einer realistischen Magnetschweifkonfiguration die in bisherigen Studien nicht berücksichtigt wurde kombiniert. Dieser Zugang kann Aufschluss über die Formation und Entwicklung von Teilsturm-relevanten Instabilitäten und die Rolle einer geneigten Stromschicht auf den Onset von Teilstürmen geben.

Aufgrund des von der Sonne anströmenden Sonnenwindes wird die Erdmagnetosphäre, das ist jene Erdumgebung in der das Magnetfeld der Erde wirkt, auf der sonnenzugewandten Seite zusammengedrückt und auf der sonnenabgewandten Seite zu einem langen Schweif, den sogenannten Magnetschweif, gestreckt. In diesem Magnetschweif wird die Erdmagnetosphäre durch eine Stromschicht in eine südliche und nördliche Hemisphäre geteilt. Um die Dynamik in diesem Magnetschweif, inklusive Teilstürme - das sind plötzliche Freisetzungen von Energie im Magnetschweif die zu einer Kaskade an Ereignissen führen, an derem Ende Aurorae in der Erdatmosphäre stehen - zu studieren, wird diese Stromschicht aus Gründen der Einfachheit meist als eben angesehen. In der Realität ist diese Stromschicht allerdings gebogen - aufgrund des Neigungswinkels des erdmagnetischen Dipols und Abweichungen des Sonnenwindes von einer radialen Anströmrichtung. In diesem Projekt untersuchen wir die Auswirkungen einer Biegung der Stromschicht auf ihre Stabilität bezüglich der Transversalmode und auf die Initialisierung von Teilstürmen. Dazu verwenden wir analytische und numerische Methoden sowie Beobachtungen von Raumsonden. In diesem Zusammenhang haben wir die folgenden Resultate gewonnen: (1) Die Wachstumsrate einer Instabilität ist in einer gebogenen Stromschicht mehr als doppelt so groß wie in einer ebenen Stromschicht. Damit ist eine Biegung der Stromschicht ein signifikanter destabilisierender Faktor. (2) Die sogenannte "Double-Gradient"-Instabilität entspricht der kompressiblen "Ballooning"-Mode im stark gestreckten Magnetschweif. (3) Während in einer ebenen Stromschicht Störungen entweder symmetrisch ("kink") oder anti-symmetrisch ("sausage") sein können, koexistieren in einer gebogenen Stromschicht sowohl "kink"- als auch "sausage"-Moden. (4) Im zeitlichen Verlauf erkennen wir in unseren Simulationen ein Abwechseln von stabilen und instabilen Moden. In einer ebenen Stromschicht dominiert die instabile Mode nach etwa 1.5 bis 2 Stunden - eine lange Zeitspanne verglichen mit der Zeitskala für Teilsturminitialisierungen. In einer gebogenen Stromschicht dominiert die instabile Mode wesentlich früher, bereits nach ca. 5 Minuten - eine Zeitspanne die im Einklang mit der Zeitskala für Teilsturminitialisierungen steht. (5) Magnetische Rekonnexion, ein Prozess während dem magnetische Energie in Plasmaenergie umgewandelt wird, erhöht die Wachstumsrate von Instabilitäten um den Faktor zwei. (6) Die Entropie beeinflusst nicht die Stabilität der Stromschicht bezüglich der betrachteten Mode. (7) Ein verallgemeinertes Instabilitätskriterium wurde abgeleitet, das nicht nur in der stark gestreckten Region des Magnetschweifs angewandt werden kann, sondern auch in der erdnahen Region und für gebogene Stromschichten. Durch diese Verallgemeinerung wurde außerdem ersichtlich, dass die zweiten Ableitungen des Gesamtdrucks die Instabilität kontrollieren. (8) Es wurde gezeigt, dass weder Wellen noch Instabilitäten mit einem Wellenvektor der entlang der Sonnen-Erde-Achse ausgerichtet ist, entstehen können. Dieses Resultat erklärt warum nur "flapping"-Wellen mit einer vorwiegend orthogonalen Ausbreitungsrichtung beobachtet werden. (9) Es wurde gezeigt, dass die Phasengeschwindigkeit als Funktion der Wellenzahl im Gegensatz zu Resultaten einfacher analytischer Modelle ein lokales Maximum besitzen kann. Ein solches Verhalten wurde durch Beobachtungen von Raumsonden bestätigt.