Titan's highly variable plasma environment [Elektronische Ressource] : a 3D hybrid simulation study / von Sven Simon

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• Publié le: 01 janvier 2007
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Extrait

Titan’s highly variable plasma environment:
A 3D hybrid simulation study
Von der Fakult¨at fu¨r
Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik
der Technischen Universit¨at Carolo-Wilhelmina
zu Braunschweig
zur Erlangung des Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
genehmigte
Dissertation
von
Sven Simon
aus
Goslar1. Referent: Prof. Dr. Uwe Motschmann
2. Referent: Prof. Dr. Karl-Heinz Glaßmeier
eingereicht am: 26. Juni 2007
mu¨ndliche Pru¨fung (Disputation) am: 09. Oktober 2007
Druckjahr: 2007Vorver¨offentlichungen der Dissertation
Teilergebnisse aus dieser Arbeit wurden mit Genehmigung der Fakult¨at fu¨r Elektrotechnik,
Informationstechnik, Physik, vertreten durch den Mentor der Arbeit, in folgenden Beitr¨agen
vorab ver¨offentlicht:
Publikationen:
• S. Simon, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat, U. Motschmann und K.-H. Glaßmeier. Plasma
environment of Titan: a 3-d hybrid simulation study, Annales Geophysicae, Nr. 24 (3),
Seiten 1113–1135, 2006
• S.Simon,A.B¨oßwetter, T.BagdonatundU.Motschmann.
PhysicsoftheIonComposition Boundary: A comparative 3D hybrid simulation study of Mars and Titan, Annales
Geophysicae, Nr. 25 (1), Seiten 99–115, 2007
• S.Simon,A.B¨oßwetter,T.Bagdonat,U.MotschmannundJ.Schu¨le. Three-dimensional
multispecies hybrid simulation of Titan’s highly variable plasma environment, Annales
Geophysicae, Nr. 25 (1), Seiten 117–144, 2007
• S.Simon,G.Kleindienst,A.B¨oßwetter,T.Bagdonat,U.Motschmann,K.-H.Glaßmeier,
J. Schu¨le, C. Bertucci und M. K. Dougherty. Hybrid simulation of Titan’s magnetic
fieldsignatureduringtheCassiniT9flyby, eingereicht beiGeophysical Research Letters,
2007
• S.Simon,G.Kleindienst,A.B¨oßwetter,T.Bagdonat,U.Motschmann,K.-H.Glaßmeier,
J. Schu¨le, C. Bertucci und M. K. Dougherty. Titan’s magnetic field signature during
the Cassini T9 flyby – Magnetometer data versus 3D multispecies hybrid simulations,
eingereicht bei Annales Geophysicae, 2007
Tagungsbeitra¨ge:
• S. Simon, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat und U. Motschmann. Plasma environment of
magnetized and unmagnetized obstacles: 3D hybrid simulation studies (Poster),
International Max-Planck Research School on Physical Processes in the Solar System
and Beyond, Max-Planck-Institut fu¨r Sonnensystemforschung, Katlenburg-Lindau, 11.
November 2005
• S. Simon, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat und U. Motschmann. Plasma environment
of Titan: A 3D hybrid simulation study (Vortrag), Fru¨hjahrstagung der Deutschen
Physikalischen Gesellschaft, Heidelberg, 13.-16. M¨arz 2006
• S. Simon, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat und U. Motschmann. Plasma environment of
Titan: A 3D hybrid simulation study (Vortrag), European Geosciences Union, General
Assembly 2006, Wien, 02.-07. April 2006
• S. Simon, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat und U. Motschmann. Plasma environment of
Titan: A 3D hybrid simulation study (Vortrag), International Max-Planck Research
School on Physical Processes in the Solar System and Beyond, Max-Planck-Institut fu¨r
Sonnensystemforschung, Katlenburg-Lindau, 17. Mai 2006• S. Simon, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat und U. Motschmann. 3D multispecies hybrid
simulations ofTitan’shighlyvariableplasmaenvironment(Vortrag), European Planetary
Science Congress, Berlin, 18.-22. September 2006
• U. Motschmann, S. Simon, A. B¨oßwetter und T. Bagdonat. Plasma environment of
Titan: A 3D hybrid simulation study (Poster), European Planetary Science Congress,
Berlin, 18.-22. September 2006
• S. Simon, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat und U. Motschmann. 3D multispecies hybrid
simulations of Titan’s highly variable plasma environment (Poster), American
Geophysical Union Fall Meeting, San Francisco, 11.-15. Dezember 2006
• S. Simon, G. Kleindienst, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat, U. Motschmann, K.-H.
Glassmeier, C. Bertucci undM. K. Dougherty. 3D multispecies hybridsimulations of Titan’s
highly variable plasma environment: Comparison with Cassini MAG data (Poster),
European Geosciences Union, General Assembly 2007, Wien, 15.-20. April 2007
• S. Simon, G. Kleindienst, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat, U. Motschmann, K.-H.
Glassmeier, C. Bertucci undM. K. Dougherty. 3D multispecies hybridsimulations of Titan’s
highly variable plasma environment: Comparison with Cassini MAG data (Vortrag),
International Max-Planck Research School on Physical Processes in the Solar System
and Beyond, Max-Planck-Institut fu¨r Sonnensystemforschung, Katlenburg-Lindau, 09.
Mai 2007
• S. Simon, G. Kleindienst, A. B¨oßwetter, T. Bagdonat, U. Motschmann, K.-H.
Glassmeier, C. Bertucci und M. K. Dougherty. 3D multispecies hybrid simulations of
Titan’shighlyvariableplasmaenvironment(Vortrag), Seminar des Instituts fu¨r
Planetenforschung, Deutsches Zentrum fu¨r Luft- und Raumfahrt, Berlin, 08. Juni 2007Contents
1 Introduction 1
2 Titan’s plasma interaction: An overview 7
1 Titan: A satellite with an atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Morphology of Titan’s plasma interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 Titan in Saturn’s magnetosphere and in the solar wind. . . . . . . . . 10
2.2 Intrinsic magnetic field, atmosphere and ionosphere . . . . . . . . . . 12
2.3 Comparison with other solar system bodies . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Simulation model 21
1 Simulation studies of Titan’s plasma environment . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 The hybrid model: Limits of validity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 The hybrid model: Basic equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Hybrid model with two electron fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4 Basic principles of ion and field dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5 Magnetospheric plasma parameters: The Voyager 1 scenario . . . . . . . . . . 34
5.1 Alfv´enic, sonic and magnetosonic Mach number . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Single-species representation of a multi-species flow . . . . . . . . . . . 38
6 Modelling Titan’s ionosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39ii CONTENTS
6.1 General properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.2 Ionosphere formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.3 Numerical modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7 Simulation code: Numerical details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.1 Basic principles of a Particle-in-Cell code . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7.2 Moments of the distribution function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.3 Force interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.4 Equations of motion and field equations . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.5 Curvilinear simulation grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8 Numerical stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
8.1 Smoothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
8.2 Minimum charge density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
8.3 Courant-Friedrichs-Lewy condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9 Boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
9.1 Outer boundaries of the simulation box . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
9.2 Inner boundary – Surface of the obstacle. . . . . . . . . . . . . . . . . 66
10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4 Titan in subsonic and supersonic flow: General characteristics 71
1 Simulation geometry and parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2 Titan in supermagnetosonic flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3 Titan in submagnetosonic flow at 18:00 local time . . . . . . . . . . . . . . . 79
4 Transition from supermagnetosonic to submagnetosonic flow . . . . . . . . . . 86
5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5 Simulation results for different orbital positions 93
1 Titan’s plasma environment at 06:00 clock angle position . . . . . . . . . . . 95
2 Titan’s plasma environment at 12:00 clock angle position . . . . . . . . . . . 97
3 Titan’s plasma environment at 00:00 clock angle position . . . . . . . . . . . 101
4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108CONTENTS iii
6 Multi-species hybrid simulation of Titan’s plasma environment 111
1 Electric field equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2 Ion pick-up at Titan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3 First step: Single-species upstream flow and multi-species ionosphere . . . . . 118
3.1 18:00 Saturnian local time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.2 Titan’s ionospheric tail: A natural ion mass spectrometer . . . . . . . 124
4 Multi