Flux ropes in space plasmas

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0053-5
Title: Flux ropes in space plasmas
Author: Isavnin, Alexey
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: A lot of modern ground-based and space systems, such as navigation satellites, electric power grids, and telecommunication frameworks, can be affected by the changes in the near-Earth space environment, i.e., space weather. The main driver of the space weather is the Sun, which provides a supersonic flow of plasma, known as the solar wind. Coronal mass ejections (CMEs) are the most prominent feature of solar activity. They result from the eruptions on the Sun and propagate almost radially from it embedded into the solar wind. CMEs drive the strongest disturbances of the near-Earth space environment and cause the strongest geomagnetic storms when they encounter the magnetosphere of the Earth. A significant fraction of CMEs exhibit a specific configuration of twisted magnetic field lines, i.e., the flux rope configuration. The geoffectiveness of flux rope CMEs depends on their internal magnetic structure, morphological properties, speed, and the geometry of their propagation through the interplanetary space. In this thesis, the internal structure of flux rope CMEs and their three-dimensional evolution in the interplanetary space were investigated using the combination of white-light and extreme ultraviolet observations and in-situ measurements and modeling. The results of the analysis show that a typical flux rope CME consists of regions of physically different plasma with the flux rope occupying one of them. The methodology for studying the evolution of the individual flux rope in three-dimensional space is described. The presented technique is used to show that solar flux ropes experience significant deflections and rotations during their propagation from the Sun to the Earth's orbit that have to be taken into account for reliable space weather forecasting. These structures deflect predominantly towards the solar equatorial plane and their rotations are affected by the solar wind streams. It is discovered that 40% of the flux rope evolution happens after 30 solar radii. Flux-rope-like structures can also form in the magnetosphere during the periods of geomagnetic disturbances. They are generated in the magnetotail configurations with multiple reconnection sites and travel towards the Earth or away from it. Both types of these helical magnetic structures are addressed in this thesis as well. It is demonstrated that the properties of these structures help to get insight into the dynamics of the magnetosphere. The model of evolution of earthward-traveling flux ropes is presented, according to which they deteriorate and degrade into dipolarization fronts, another magnetic field configuration that is characteristic for geomagnetic disturbances. This thesis contributes both to the improvement of the flux rope analysis techniques as well as conducts a comprehensive analysis of solar and magnetospheric flux ropes and their evolution. The results of the research advance our understanding of the Sun-Earth coupling in one dynamical process and can be used for improving the space weather forecasting tools.Maan lähiavaruuden eli avaruussään muutokset voivat vaikuttaa moniin nykyaikaisiin maanpäällisiin ja avaruudessa toimiviin järjestelmiin, kuten navigointisatelliitteihin, sähköverkkoihin ja televiestintäjärjestelmiin. Avaruussään liikkeellepaneva voima on aurinko, josta on peräisin ääntä nopeampi plasmavirta, joka tunnetaan aurinkotuulena. Koronan massapurkaukset (CME) ovat auringon toiminnan näkyvimpiä piirteitä. Ne ovat peräisin auringossa tapahtuvista tulivuoren purkauksista, ja siitä ne leviävät lähes säteittäin aurinkotuuleen sulautuneena. Koronan massapurkaukset ovat syynä lähiavaruuden suurimpiin häiriöihin, ja ne aiheuttavat suurimmat geomagneettiset myrskyt joutuessaan maan magnetosfääriin. Suuressa osassa koronan massapurkauksia on erityinen kiertyneiden magneettikenttäviivojen konfiguraatio eli vuoköysien konfiguraatio. Vuoköyden koronan massapurkausten geotehokkuus riippuu niiden sisäisestä magneettirakenteesta, morfologisista ominaisuuksista, nopeudesta ja niiden planeettojen välisen etenemisen geometriasta. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin vuoköyden koronan massapurkausten sisäistä rakennetta ja niiden kolmiulotteista kehittymistä planeettojen välisessä tilassa käyttämällä valkeaa valoa ja äärimmäistä ultraviolettivaloa koskevia havaintoja ja itse kohteessa tehtyjä mittauksia ja mallintamista. Analyysin tulokset osoittavat, että tyypillinen vuoköyden koronan massapurkaus koostuu fyysisesti erilaisen plasman alueista, joista yhtä vuoköysi käyttää. Työssä kuvataan menetelmä, jolla tutkitaan yksittäisen vuoköyden kehittymistä kolmiulotteisessa tilassa. Esitettyä tekniikkaa käytetään osoittamaan, että auringon vuoköydet taipuvat ja kiertyvät huomattavasti edetessään auringosta maan kiertoradalle, mikä on otettava huomioon luotettavassa aurinkosään ennustamisessa. Nämä rakenteet taipuvat pääasiassa kohti auringon ekvaattoritasoa, ja aurinkotuulivirrat vaikuttavat niiden kiertymisiin. On havaittu, että 40 prosenttia vuoköyden kehittymisestä tapahtuu 30 auringonsäteen jälkeen. Vuoköyden kaltaiset rakenteet voivat myös muodostua magnetosfäärissä geomagneettisten häiriöjaksojen aikana. Ne kehittyvät magneettisen pyrstön konfiguraatioissa, joissa on monia uudelleenliitäntäkohtia, ja kulkevat kohti maata tai siitä poispäin. Tässä työssä käsitellään myös näitä molempia magneettisia kierrerakenteita. Siinä osoitetaan, että näiden rakenteiden ominaisuudet auttavat ymmärtämään magnetosfäärin dynamiikkaa. Siinä esitetään maata kohti kulkevien vuoköysien kehittymisen malli, jonka mukaan ne heikkenevät ja hajoavat dipolarisaatiorintamiksi, jotka ovat toinen geomagneettiselle häiriölle ominainen magneettikenttäkonfiguraatio. Tämä työ edistää vuoköyden analyysitekniikoiden parantamista, ja lisäksi siinä tehdään kattava analyysi auringon ja magnetosfäärin vuoköysistä ja niiden kehittymisestä. Tutkimuksen tulokset auttavat meitä ymmärtämään paremmin auringon ja maan välistä yhteyttä yhdessä dynaamisessa prosessissa, ja sitä voidaan käyttää parantamaan aurinkosään ennustustyökaluja.
URI: URN:ISBN:978-951-51-0053-5
http://hdl.handle.net/10138/135612
Date: 2014-08-14
Subject: physics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Isavnin_PhD_intro.pdf 6.114Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record