Zusammenfassung

Magnetische Rekonnexion ist ein fundamentaler Plasmaprozess mit schneller Energiekonversion. Während der Rekonnexion ändert sich die Topologie des Magnetfelds und ein Transfer von magnetischer in kinetische und thermische Energie findet statt. Plasmainstabilitäten, hervorgegangen in dünnen Grenzschichten (Stromschichten) des Plasmas, führen zu Diffusion des Magnetfeldes. Als Resultat werden die Feldlinien des Magnetfeldes gebrochen und neuverbunden in eine veränderte Topologie. Teilchen, die ursprünglich auf einer Feldlinie gefangen waren, dringen in die Diffusionsregionen ein und landen letztlich auf einer anderen Feldlinie. Aufgrund von unterschiedlichen Massen entkoppeln Ionen und Elektronen vom Magnetfelds auf unterschiedlichen Gradientenskalen. In jener bestimmten Teil der Stromschicht, wo die Gradientenskalen kleiner sind als die Ionenskalen, werden Ionen vom Magnetfeld entkoppelt. Diese Region wird als Rekonnexion-Ionendiffusionsregion bezeichnet. Elektronen, die in dieser Region immer noch vom Magnetfeld gefangen sind, erzeugen ein charakteristisches Muster in der Stromverteilung und die Magnetfeldstörung besitzt Quadrupolstruktur.

In dieser vorgeschlagenen Studie untersuchen wir die räumlichen und zeitlichen Charakteristiken der Ionendiffusionsregion in der neuverbundenen Stromschicht im Erdmagnetschweif. Das primäre Ziel ist die experimentelle Untersuchung der Eigenschaften der Ionendiffusionsregion bei Rekonnexion, insbesondere die dreidimensionale Geometrie. Die zu beantwortende Schlüsselfrage lautet: Wie entwickelt sich die Ionendiffusions-Region in Raum und Zeit? Wir beabsichtigen eine Quantifizierung der Bewegung und der räumlichen Eigenschaften der Diffusionsregion in der Ebene der Stromschicht, sowohl entlang der Mitternachtslinie im Erdschweif, als auch in Richtung der Ströme. Die Beobachtungen von zwei Multi-Satellitenmissionen, Cluster und THEMIS, werden dazu herangezogen. Basierend auf statistischen Untersuchungen und detaillierten Ereignisanalysen untersuchen wir die Evolution der Rekonnexionsregion in zwei Arbeitspaketen: WP1 „Analyse innerhalb der Diffusionsregion“, WP2 „Entfernte Beobachtungen der Diffusionsregion“. WP1 erlaubt die Bestimmung von lokalen Charakteristiken der Ionendiffusionsregion, während WP2 der großskaligen Zusammenhang der Ionendiffusionsregion innerhalb des Magnetschweifs ergeben soll. Für beide Arbeitspakete beabsichtigen wir den Vergleich von Rekonnexions-Beobachtungen mit entsprechenden Modellresultaten (analytisch und numerisch), entwickelt innerhalb des vorgeschlagenen Forschungsteams. Wir fokussieren auf die inhärente dreidimensionale Natur des Prozesses, unter Berücksichtigung der Örtlichkeit der Diffusionsregion in der Stromschicht des Magnetschweifes, etwas, dass in früheren experimentellen Untersuchungen in dieser Art und Weise nicht berücksichtigt werden konnte. Die erwarteten Resultate inkludieren wichtige quantitative Parameter von Rekonnexion im Magnetschweif, darunter die räumliche Skala und das Bewegungsmuster des Rekonnexionsbereiches. Diese Parameter sind nicht nur relevant im Verständnis der lokalen Energietransferprozesse, sondern auch im großräumigen Energiebudget der Sonnenwind – Magnetosphäre Kopplungsprozesse.