Characteristics of Earth's magnetopause from Cluster measurements [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Adrian Blăgău

Adrian Blagau

Sujets

• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 17
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

Characteristics of Earth’s magnetopause
from Cluster measurements
Adrian Blagau
Dissertation
an der Fakult at fur Geowissenschaften
der Ludwig–Maximilians–Universit at
Munc hen
vorgelegt von
Adrian Bl agau
aus Arad, Rumanien
Munc hen, den 1. Oktober 2007Erstgutachter: Prof. Dr. Manfred Scholer
Zweitgutachter: Prof. Dr. Rudolf Treumann
Tag der mundlic hen Prufung: 5. Dezember 2007P arintilor mei si Mac aiContents
Zusammenfassung ix
Summary xv
1 Introduction 1
1.1 The magnetopause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The magnetic reconnection process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Satellite and instruments 15
2.1 The Cluster mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 The satellite payload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
The CIS instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
The FGM instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
The EFW instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Other Cluster instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 A new technique for determining orientation and motion of a non-planar
magnetopause 25
3.1 The timing analysis procedure in the planar case . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Procedure for obtaining the timing information . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Arguments for the constant thickness approach . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 The timing method for a 2-D, non-planar magnetopause . . . . . . . . . . . . . 28
The parabolic layer model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
The cylindrical layer model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Optimizing the timing procedure for a 2-D magnetopause . . . . . . . . . . 31
3.3 Presentation of the test case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Obtaining the input parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
~A case of non-planar magnetopause. Finding the unit vector l . . . . . . . 38
Obtaining the timing information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
vCONTENTS
4 Resultsforthe24June2003magnetopausecrossing: comparisonofdi erent
methods 47
4.1 Results from the planar timing technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Solutions from the 2-D timing technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Finding solutions in the cylindrical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Stability of the solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Comparison with planar, single spacecraft techniques . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1 Minimum variance analysis of the magnetic eld . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.2 Minimum Faraday residue method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Determining the electric eld vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Results from the planar MFR technique . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Faraday residues in the planar and 2-D, non-planar method. . . . . 60
4.3.3 DeHo mann-Teller analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4 Comments and discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Discusions of the solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Comparison with the planar methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
The nature of the 2-D MP feature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
What is the best 2-D solution? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5 Relation between the current work and previous approaches . . . . . . . . . . . 73
5 Observation of magnetic reconnection at the magnetopause 77
5.1 Jump relations for a rotational discontinuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Practical issues in the identi cation of a rotational discontinuity . . . . . . . . 80
5.3 Overview on the 14 March 2002 event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
General conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Inferring the magnetopause thickness.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4 Analysis of the event from 14 March 2002 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
The non-constancy of (1 ) in experimental data. . . . . . . . . . . . . . 95
The contribution of the current density in the Walen relation. . . . . . . . . 97
5.5 Overview on the 26 January 2001 event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
General conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
The favourable circumstances of the 26 January 2001 event. . . . . . . . . . 104
Inferring the magnetopause thickness.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.6 Oxygen in uence on the Walen test. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
The magnetopause transition around 10:43:30 . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
The magnetopause transition around 11:03:00 . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Interpretation of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.7 Observations about the Oxygen at the magnetopause . . . . . . . . . . . . . . . 119
6 Conclusions 125
Appendices
A Minimum variance analysis 133
viCONTENTS
B Timing methods 137
B.1 Timing analysis in the planar model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
B.2 The parabolic layer model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
B.2.1 Plain timing analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
B.2.2 Combined analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
B.3 The cylindrical layer model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
B.3.1 Plain timing analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
B.3.2 Combined analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
B.4 Geometrical and dynamical parameters of the solutions . . . . . . . . . . . . . 155
B.4.1 Parabolic layer case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
B.4.2 Cylindrical layer case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
B.5 Combining MVAB with the timing analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
C Solutions for the 2-D magnetopause 163
C.1 Tables and gures description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
C.2 Solutions from the parabolic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
C.3 Solutions from the cylindrical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
D Stability of the 2-D solutions 183
E Magnetic variance in the planar and 2-D, non-planar methods 189
F The deHo mann-Teller analysis 197
G The Minimum Faraday Residue technique 199
H Computing the ion single - uid moments 203
Bibliography 207
Credits 215
Acknowledgements 217
Lebenslauf 219
viiZusammenfassung
Charakteristik der Erdmagnetopause
anhand von Messungen mit Cluster
Das Thema dieser Arbeit ist die terrestrische Magnetopause, eine Diskontinuitat, wel-
che die Grenzschicht zwischen dem vom Erdmagnetfeld kontrollierten Plasma und dem mit
Uberschallgeschwindigkeit gegen das Erdmagnefeld anstrome nden Plasma der Sonne bildet,
dem sogenannten Sonnenwind. Wir interessieren uns sowohl fur die Bestimmung der makro-
skopischen Eigenschaften dieser Diskontinuitat (wie fur ihre Form, Orientierung, Bewegung
und Dicke), als auch fur die physikalischen Phanomene, die in ihrer Umgebung statt nden.
Wir haben diese Studie durchgefuh rt, indem wir in-situ Messungen der verschiedenen Plas-
maparameter analysiert und interpretiert haben. Die Daten wurden mit den Satelliten der
Cluster-Mission der Europaischen Weltraumbehord e (ESA) wahr end der Durchquerungen der
Magnetopause genommen.
Nahezu alle Methoden, die zur Ableitung der Parameter eines Magnetopausendurchganges
benutzt werden, beruhen zum einen auf der Annahme einer ebenen Geometrie, zum anderen
nehmen sie an, dass alle physikalischen Gro en sich nur entlang der Normalenrichtung and ern.
Wir konnen diese Methoden in zwei Kategorien unterteilen. Auf der einen Seite stehen die
Methoden, die sich nur auf Daten eines einzelnen Satelliten stutzen und auf der Gultigkeit von
verschiedenen Erhaltungsgesetzen basieren. Die Minimum-Varianz-Analyse des magnetischen
Feldes (MVAB) zum Beispiel basiert auf dem Nichtvorhandensein von magnetischen Mono-
polen, was die Konstanz der Magnetfeldkomponente entlang der Normalenrichtung zur Folge
hat. Somit ergibt sich bei dieser Methode die Normalenrichtung als die jenige Richtung, ent-
lang der die Variationen des Magnetfeldes am kleinsten sind. Eine weitere planare Methode
ist die Minimum Faraday Residue (MFR) Methode, die auf der Erhaltung des magnetischen
Flusses beruht. In diesem Fall wird zusatzlich zur Richtung die als konstant angenommene
Geschwindigkeit entlang dieser Richtung bestimmt, so da die Variation der Komponente des
elektrischen Feldes tangential zu dieser Richtung (das sogenannte Faraday Residuum) mini-
malisiert wird. Im Unterschied zu diesen Methoden pro tiert man bei der Cluster-Mission
zum ersten Mal von korrelierten Messungen, die gleichzeitig an vier Punkten im Raum vor-
genommen werden. Aus der Kenntnis