Multiskalen-Analyse der Magnetschweifdipolarisierungen

Unter einer `Magnetschweif Dipolarisierung` versteht man das Drehen des magnetischen Flusses von einem normalerweise horizontal verlaufenden Magnetfeld zu einem eher vertikal liegendem Magnetfeld. Zu dieser inhärenten Eigenschaft der Magnetfeldlinien kommt es aufgrund der im Magnetschweif `neuverbundenen` Feldlinien, die sich unmittelbar nach der `Neuverbindung` (Rekonnexion) Richtung Erde bewegen und dabei Plasma aus dem Magnetschweif mitbeschleunigen. Die `neuverbundenen` Feldlinien die in einem Plasmafluss eingebettet sind nehmen dabei eine dipolähnliche Form an - daher der Name `Dipolarisierung`. Im Zuge dieses Projektes soll dieses Phänomen im Detail untersucht werden: die dynamischen Charakteristiken einer Dipolarisierung und die damit verbundenen elektrischen Ströme; den Einfluss der Komponenten im Plasma im Magnetschweif auf den Dipolarisierungsverlauf; die räumliche und zeitliche Entwicklung einer Dipolarisierung über große Distanzen. Dazu werden die Daten sowohl der Cluster als auch Double Star und THEMIS Mission ausgewertet und untersucht: Die vier Cluster Satelliten ermöglichen die Berechnung von Gradienten und mit Hilfe der unterschiedlichen Abstände der Satelliten kann die innere Struktur einer Dipolarisierung über mehrere Größenordnungen erforscht werden. Die Kenntnis der inneren Struktur erleichtert die Erforschung der dynamischen Entwicklung einer Dipolarisierung entlang des Magnetschweifs über mehrere Größenordnungen. Dazu werden die Daten von Cluster und Double Star kombiniert um die zeitliche und räumliche Entwicklung der Dipolarisierung auf mittleren Skalenordnungen zu untersuchen und die THEMIS Daten für große Skalenordnungen.

Die Doktorarbeit mit dem Titel Magnetotail Dipolarization Fronts wurde am Ende des Projektes von Dr. Daniel Schmid erfolgreich verteidigt. Der Inhalt dieser Arbeit basiert auf der Forschung und den publizierten Fachartikeln dieses FWF Projekts. Stehen das Erdmagnetfeld und das interplanetare Magnetfeld (IMF) der Sonne anti-parallel, kann sich das Magnetfeld der Erde mit dem der Sonne verbinden (magnetische Rekonnexion). Ein Fußpunkt liegt jeweils in der nördlichen bzw. südlichen Polkappe der Erde, der andere auf der Sonne. Diese sogenannten offenen Magnetfeldlinien werden anschließend mit dem Sonnenwind Richtung Nachtseite transportiert und bilden dort den langgezogenen und anti- parallel verlaufenden nördlichen und südlichen Teil des Magnetschweifs.Die beiden Teile werden durch einen Bereich erhöhter Plasmadichte getrennt, die sogenannte Plasmaschicht. Im Magnetschweif kann es dann abermals zu einer magnetischen Rekonnexion der anti- parallel verlaufenden Magnetfeldlinien kommen. Die zuvor mit dem Sonnenwind verbundenen, gedehnten Magnetfeldlinien sind jetzt wieder geschlossen und bewegen sich aufgrund der magnetischen Spannung schlagartig Richtung Erde zurück und reißen dabei das Plasma in der Plasmaschicht mit. Dieser Vorgang wird auch Magnetschweif Dipolarisierung genannt, da das zuvor hauptsächlich horizontal verlaufende Magnetfeld im Schweif nach diesem Relaxationsprozess wieder die ursprüngliche Form eines Dipolfeldes hat. Aufgrund der schlagartigen Drehung des Magnetfeldes bezeichnet man sie auch als Dipolarisierungsfronten. Sie können als eine dünne Grenzschicht (Stromschicht) zwischen zwei unterschiedlichen Plasmapopulation verstanden werden. Typischerweise trennen sie das umliegende Plasma der Plasmaschicht von einem Plasma geringere Dichte aber erhöhter Temperatur. Im Zuge dieses FWF Projekts wurde gezeigt, dass sich die Dipolarisierungenfronten auf dem Weg zur Erde zeitlich weiterentwickeln und ihre Eigenschaften ändern können. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Plasmadichte und Temperatur vor und hinter der Dipolarsierungsfronten, während sie sich Richtung Erde bewegen, angleichen. Nur sehr schnelle Dipolarisierungsfronten, mit einer hohen Plasmadichte und Temperatur Differenz vor und hinter der Front können der Erde ganz nahe kommen. Interessanterweise, wurde gezeigt, dass sich die ein Großteil der Dipolarisierungsfronten in der Nähe der Erde schneller bewegen als weiter weg. Noch ist es unklar wie es zu dieser Beobachtung kommt. Beispielsweise könnte es sich dabei um einen Selektionseffekt handeln: nur jene Dipolarisierungsfronten können näher an der Erde beobachtet werden, da diese grundsätzlich schneller sein müssen um überhaupt dorthin zu gelangen.