Rekonnektion und Turbulenz im irdischen Magnetschweif

Magnetische Rekonnektion (MR) ist ein fundamentaler Plasmaprozess, der für explosiven Ausstoss magnetischer Energie in Labor-, Weltraum- und astrophysikalischen Plasmen verantwortlich ist. Obwohl MR, Turbulenzen und deren assoziierten, mehrskaligen Strukturen unabhängig voneinander betrachtet werden können, kann durch die simultane Untersuchung dieser Phänomene ein großer Durchbruch erwartet werden. Die Vielfalt von Plasmasystemen im Weltraum, die von magnetischen Explosionen beeinflusst sind, ist enorm, jedoch findet man MR vorwiegend an dünnen, stark lokalisierten Stromschichten vor. Die Technik der Sonnenbeobachtung ist durch Effekte aufgrund der Sichtlinie beschränkt. Daher ist nicht vollständig bekannt wie MR im turbulenten Plasmen funktioniert, warum sie so schnell ist und Teilchen auf hohe Energie beschleunigt. Es stellte sich heraus, dass die ideale Umgebung für Tests der theoretischen MR Modelle die irdische Magnetosphäre ist, wo in-situ multi- Satellitenmessungen von Feldern und Teilchen zur gleichen Zeit möglich sind. Ein-Satelliten Missionen können nicht zwischen räumlichen und zeitlichen Variationen unterscheiden, was allerdings entscheidend ist um das Wesen der mehrskaligen Physik der MR zu erkennen. Bisherige multi-Satelliten Untersuchungen (Cluster und Themis) studierten MR im erdnahen Weltraum (innerhalb einer Distanz von 30 Erdradien RE) woher auch unser wesentliches Wissen über schnelle MR in stossfreien Plasmen kommt. Neben Einzelsonden oder einer zufälligen Konstellation zweier Satelliten konnte bisher keine umfassendes, multi- Satelliten Untersuchung der MR in Distanzen größer als 30 RE im inneren Schweif durchgeführt werden. Trotzdem wurde eine Ausbreitung und Evolution von Strukturen in Schweifrichtung, mehrfach-Rekonnektionsgebiete und Teilchenbeschleunigungszentren offenkundig. Die einmalige doppel-Sonden NASA Mission ARTEMIS (Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of Moon`s Interaction with the Sun) untersuchte die Physik der MR, Turbulenz und Teilchenbeschleunigungsprozesse nahe des Mondorbits (~60 RE , wir beschränken uns auf Prozesse im Magnetschweif). Das vorliegende Projekt beabsichtigt die Erlangung eines tieferen Verständnisses der MR in Weltraum- und astrophysikalischen Plasmen durch Beobachtung und Identifizierung von ausgezeichneten Bedingungen für verschiedene theoretische Szenarios schneller und langsamer MR im tiefen Magnetschweif am Mondorbit. Die theoretischen Szenarien beinhalten das zwei-fluide Hall Modell, turbulente Rekonnektion und plasmoide Instabilitäten. Da die ARTEMIS Sonden zu- und abströmende MR Regionen zugleich abtasten können, ist es möglich, die Rekonnektionsrate (MR Geschwindigkeit) zu berechnen und mit den beobachteten Plasmen, Feldern und Teilchensignaturen zu vergleichen. Um zu lernen, wie Teilchen beschleunigt werden, soll eine zwei-Sonden Charkterisierung von Turbulenzen, elektrischer- und Magnetfeldstruktur, gemeinsam mit einer genauen Untersuchung von Teilchenverteilungsfunktionen durchgeführt werden. Die wechselnden Abstände der ARTEMIS Sonden ermöglichen das Studium der räumlichen Struktur von Fluktuationen sowie der interessanten 3D Topologie magnetischer Strukturen, wie MR assoziierte Plasmoide oder Flussröhren. Obwohl die Plasma- und Feldparameter sowie die typischen Skalen- und Energieniveaus der MR im Magnetschweif sich von den Bedingungen in der Sonnenkorona oder astrophysikalischen Regionen unterscheiden, wird angenommen, dass die Analyse von resultierenden Moden und Strukturen behilflich ist diese Plasmaphänomene fundamental besser zu verstehen.

Das Erdmagnetfeld entsteht im Erdkern und ist so stark, dass es in den Außenraum über die Ionosphäre hinausreicht, wo es mit dem Sonnenwind wechselwirkt. Im Forschungsprojekt Reconnection and turbulence in the magnetotail (Rekonnektion und Turbulenze im irdischen Magnetschweif) wurden die geo- und plasmaphysikalischen Erscheinungen der Sonnenwind-Magnetosphären Wechselwirkungsprozesse näher untersucht. Magnetfeldverschmelzung (Rekonnektion) an der tagseitigen Grenzfläche der Magnetosphäre kann das geomagnetische und das interplanetare Magnetfeld miteinander koppeln, die neuen verbundenen Magnetfeldstrukturen mit Sonnenwindplasma anreichern und den magnetischen Fluss und das Plasma in den nachtseitigen Magnetosphärenschweif transportieren. Die Vermehrung des Flusses, der Energie und des Plasmas im Magnetschweif erzeugt dünne Stromschichten, welche in gegeneinander orientierte Magnetfelder eingebaut sind. Dort kann Magnetfeldverschmelzung entstehen, vorzugsweise auf der sonnenabgewandten Seite in Entfernungen zwischen 15 und 30 Erdradien. Magnetfeldverschmelzung treibt den Energie-, den Plasma- und den Teilchenfluss in die sonnenabgewandte und die sonnenzugewandte Richtung, was zu stürmischen Störungen des Erdmagnetfeldes führt. Mittels numerischen Simulationen und Mehrpunktmessungen im Magnetosphärenschweif konnte gezeigt werden, dass Magnetfeldverschmelzung in einer Entfernung von ca. 60 Erdradien allein durch Druckstörungen ausgelöst werden kann, selbst ohne Erhöhung des magnetischen Flusses im Magnetosphärenschweif. Es konnte ebenfalls herausgefunden werden, dass die Magnetfeldverschmelzung, trotz der großen Entfernung von der Erde, die Plasmaumgebung der Erde beeinflusst und das Erdmagnetfeld auf der Erdoberfläche stört. Vielpunktmessungen im Magnetosphärenschweif machten deutlich, dass die durch Magnetfeldverschmelzung verursachte Elektronenbeschleunigung ein Mehrstufenprozess ist. Das durch Magnetfeldverschmelzung erhitzte Plasma zeigt eine Anisotropie relativ zur lokalen Richtung des Magnetfeldes. Ebenso konnte gezeigt werden, dass durch Temperaturanisotropie getriebene Instabilitäten am stärksten nahe dem Ort der Magnetfeldverschmelzung sind. Die mit der durch die Magnetfeldverschmelzung zusammenhängenden schlagartigen Energieumwandlungsprozesse und der Energieabfluss können Wellen und Turbulenz im Plasma erzeugen. Von besonderem Interesse ist, dass Plasmaturbulenz faserförmige dünne Stromschichten hervorrufen kann. Es wurde herausgefunden, dass in der komprimierten turbulenten Tagseitenregion, vor der Erdmagnetosphäre, diese Stromstrukturen sehr häufig auftreten. Diese dünnen Stromschichten können unter Umständen ebenfalls verschmelzen. Erstmals konnten viele Anzeichen des Auftretens von Magnetfeldverschmelzung in einer solch turbulenten Umgebung gefunden werden. Die Ergebnisse des Forschungsprojektes tragen wesentlich zum besseren Verständnis der Plasmaumgebung der Erde bei.