Fine structure and radial evolution of sheath regions driven by interplanetary coronal mass ejections

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6896-2
Title: Fine structure and radial evolution of sheath regions driven by interplanetary coronal mass ejections
Author: Ala-Lahti, Matti
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Fysiikan osasto
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-01-22
Language: en
Belongs to series: Electronic Publications @ University of Helsinki
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6896-2
http://hdl.handle.net/10138/322391
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: A continuous flow of charged particles emanating from the Sun is ubiquitous in the solar system. This solar wind carries the magnetic field of the star and constitutes a fluid that has an electromagnetic interplay with flow obstacles, such as planetary magnetic fields. The regular conditions in the solar wind flow are drastically disturbed by transients that originate from huge eruptions of plasma and magnetic flux in the Sun. In interplanetary space, these eruptions are known as interplanetary coronal mass ejections (ICMEs). An ICME propagating faster than the ambient solar wind ploughs the solar wind deflecting it aside. Consequently, a solar wind plasma region having distinctive characteristics is formed in front of the driving ICME. These sheath regions driven by ICMEs consist of shocked turbulent plasma that in our imagination is comparable to the flow in the immediate downstream of a waterfall or to the flow around an obstacle in rapids. The magnetic configuration of an ICME sheath is exposed to continuous modification and thus has a complicated fine structure, which varies with distance from the Sun. In this thesis, the fine structure and radial evolution of ICME sheaths are investigated particularly in terms of their magnetic field by performing in-situ studies that utilise spacecraft measurements taken at 1 AU and closer to the Sun. The research conducted in this thesis shows that although ICME sheaths are highly turbulent plasma environments, a structure appearing on larger scales is embedded in sheath magnetic fields. Furthermore, magnetic fluctuations on smaller scales do result from different physical processes, more precisely, from plasma being regulated by plasma instabilities such as mirror and Alfveń ion cyclotron instabilities. These smaller-scale fluctuations can be interpreted to manifest the gradual energy dissipation process that ensures an irreversible shock crossing of the solar wind plasma. They may, however, be so localised and their origins so temporary that the consequent magnetic fluctuations display strong spatial inhomogeneity and no coherency is observed in sheath magnetic fields at those scales. This spatial inhomogeneity gradually decreases towards larger scales. This thesis contributes to the understanding of ICME-driven sheath regions not only by reporting the observations that result in the conclusions stated above but also by discussing the relevant physical processes occurring in the sheath that significantly contribute to the sheath magnetic fields. The shock preceding the sheath modifies the solar wind plasma and interplanetary magnetic field and is concluded to have a major role in the occurrence of the smaller-scale fluctuations that result from plasma instabilities. Together with field line draping, in which magnetic field drapes around the driving ICME ejecta, the shock also regulates the global magnetic field configuration of ICME sheaths. Moreover, these processes continuously modify and regulate the sheath fields when an ICME travels through interplanetary space. This results in steady accumulation of magnetic fields in the sheath. This thesis also discusses what avenues of research may be particularly scientifically beneficial. To include ICME sheaths in models that forecast space weather, the consequences of the spatial inhomogeneity should be comprehensively resolved. Thus, there is a need for additional multi-spacecraft studies on the non-radial extent of different magnetic fluctuations embedded in the magnetic fields of ICME sheaths. In addition, the latest missions providing high-resolution data offer great opportunities to investigate sheath magnetic fields with an improved accuracy. These missions can be utilised in multi-spacecraft studies on the radial evolution of ICME sheaths. Moreover, this thesis makes a contribution that is generally beneficial to the community by developing algorithms that are suitable for further applications, in which magnetic field waves are investigated in different space plasma environments, and also by applying novel techniques and thus adapting them in the context of space plasmas.Sähköisesti varattujen hiukkasten jatkuva virta Auringosta, aurinkotuuli, kuljettaa tähtemme magneettikenttää mukanaan planeettainvälisessä avaruudessa ja on läsnä kaikkialla Aurinkokunnassa. Aurinkotuulen tavanomaisiin olosuhteisiin poikkeuksen muodostavat Auringon koronasta peräisin olevat voimakkaat purkaukset. Näiden koronan massapurkausten aikana Auringosta sinkoutuu valtavia kaasupilviä, jotka ajavat shokkiaaltoja edessään. Shokkiaallon ja massapurkauksen välistä aluetta, jossa aurinkotuulen plasma ohjautuu massapurkauksen ohitse, kutsutaan välivyöhykkeeksi. Välivyöhyke on turbulenttinen plasmaympäristö, jossa magneettikentän suunta ja voimakkuus voivat vaihdella äkillisesti ja voimakkaasti. Tässä väitöskirjassa tutkitaan koronan massapurkausten välivyöhykkeiden magneettikenttien hienorakennetta ja siinä tapahtuvia muutoksia planeettainvälisessä avaruudessa tarkastelemalla Maan etäisyydellä ja lähempänä Auringosta sijaitsevien avaruusluotainten suorittamia mittauksia. Väitöskirjan tutkimus osoittaa, että magneettikentän fluktuaatioita muodostuu välivyöhykkeissä erilaisista plasman epävakaisuuksien sääntelymekanismeista, joiden esiintymisessä shokkiaallon ominaisuuksilla on keskeinen rooli. Nämä fluktuaatiot ovat kuitenkin niin paikallisia ja niiden muodostuminen mahdollisesti niin väliaikaista, että ne eivät ilmennä spatiaalista yhtenäisyyttä välivyöhykkeiden turbulentissa plasmassa. Magneettikentän fluktuaatiot välivyöhykkeissä ovatkin kokonaisuudessaan varsin paikallisia suhteutettuna massapurkausten kokoon. Välivyöhykkeiden globaali magneettikenttä, joka kertyy asteittain massapurkauksen edetessä planeettainvälisessä avaruudessa, ilmentää kuitenkin järjestäytyneisyyttä. Shokkiaalto ja magneettikentän verhoutuminen massapurkauksen ympärille suuntaavat magneettikenttää välivyöhykkeissä ja ovat keskeisimpiä tekijöitä tämän yhtenäisen rakenteen muodostumiselle. Paikalliset magneettikentän fluktuaatiot välivyöhykkeissä voivat vaikuttaa merkittävästi siihen, miten välivyöhykkeet vuorovaikuttavat Maan magneettikentän kanssa. Välivyöhykkeiden spatiaalisiin epähomogeenisuuksiin kohdistuvat täydentävät tutkimukset, jotka tarkastelevat useiden luotainten mittauksia, ovatkin erityisen hyödyllisiä tämän väitöskirjan tutkimuksen rinnalla välivyöhykkeiden syvällisen ymmärtämisen saavuttamiseksi.
Subject: fysiikka
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
ala-lahti_matti_dissertation_2021.pdf 16.55Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record