Multi-Spacecraft Studies on Space Plasma Shocks

Visa fullständig post

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-697-770-9
Titel: Multi-Spacecraft Studies on Space Plasma Shocks
Author: Hietala, Heli
Medarbetare: Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, institutionen för fysik
Nivå: Doktorsavhandling (sammanläggning)
Abstrakt: Just like in liquids and gases, there are shock waves in the space plasma environment of our planet. As the high speed plasma flow of the solar wind hits the magnetosphere of the Earth, a bow shock is formed. Disturbances propagating in the solar wind flow, such as massive eruptions of Sun's plasma and magnetic field, can also drive shock waves ahead of them. These integral parts of our natural plasma environment are, despite being ubiquitous, a poorly understood physical phenomenon. Furthermore, shocks are components of space weather phenomena that can have severe socio-economical impacts such as hampering the operation of telecommunication systems and satellite navigation. In this dissertation we use simultaneous observations from several spacecraft as well as numerical simulations to address certain open questions in plasma shock physics. The thesis consists of four scientific articles and an introductory part that presents the findings within the context of the field. The theoretical foundations of collisionless shock physics are briefly reviewed and the employed methods (data-analysis, modelling, and numerical simulations) are described. The previous observational studies of space plasma shocks as well as relevant simulation work are discussed. The main focus is on the dynamic structure of shocks and the phenomena in their vicinity that arise from this. The first two articles address particle acceleration in shock-shock interaction - a fundamental acceleration mechanism that often takes place in astrophysical environments but that is very rarely seen with direct observations. We perform a detailed analysis of a shock-shock interaction event with the best spacecraft coverage reported so far. The novel result is the first in situ observations of the particle release at shock collision, further verified with a simulation study. In the third article we investigate a class of transient phenomena in the magnetosheath region between the bow shock and the magnetosphere of the Earth: Earthward directed jets with a high speed unexpected for the subsolar region. Based on the detailed multi-spacecraft observations we propose a formation mechanism for the jets whose source had remained unexplained. We infer a connection between the rippling of shock fronts evident in many observations and simulations and the structuring of the downstream region. In the fourth article we analyse a set of jets and show that the proposed mechanism based on the bow shock ripples can account for their main properties, including their finite spatial scale and the observed range of dynamic pressure. Furthermore, we investigate the possible role of these high dynamic pressure jets in the solar wind-magnetosphere interaction. We find that their effects can be seen in the magnetosphere all the way to the ground magnetometers.Kuten nesteissä ja kaasuissa, myös planeettaamme ympäröivässä plasmassa voi edetä shokkiaaltoja. Kun Auringosta lähtevä jatkuva varattujen hiukkasten virta, aurinkotuuli, osuu Maan magnetosfääriin niiden väliin muodostuu keulashokki. Vastaavasti aurinkotuulessa etenevät häiriöt kuten Auringon koronan massiiviset purkaukset voivat ajaa shokkiaaltoja edellään. Yleisyydestään huolimatta nämä luonnollisen plasmaympäristömme osaset ovat huonosti ymmärretty fysiikan ilmiö. Shokit ovat myös tärkeässä roolissa niissä avaruussääilmiöissä, joilla voi olla vakavia sosioekonomisia seurauksia. Esimerkiksi lähiavaruuden shokkien tuottamat korkeaenergiaiset hiukkaset muodostavat erityisen suuren riskin astronauteille ja satelliittien herkälle elektroniikalle. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan avaruusplasmashokkien fysiikkaa käyttäen useiden satelliittien samanaikaisia havaintoja sekä mallinnusta. Väitöskirja koostuu neljästä vertaisarvioidusta tieteellisestä artikkelista ja johdanto-osasta, jossa artikkelien tulokset esitetään avaruusfysiikan tutkimusalan kontekstissa. Törmäyksettömien shokkien fysiikan teoreettinen perusta sekä tutkimuksessa käytetyt menetelmät (data-analyysi, mallinnus ja numeeriset simulaatiot) kerrataan lyhyesti. Lisäksi esitellään shokkihavaintoja käsitteleviä tutkimuksia ja niihin liittyviä simulaatioita pääpainon ollessa shokkien dynaamisessa rakenteessa sekä muuttuvan geometrian seurauksena shokkien ympäristössä esiintyvissä ilmiöissä. Väitöskirjan ensimmäisessä ja toisessa artikkelissa tutkitaan hiukkasten kiihdytystä kahden shokin vuorovaikutuksessa. Shokkienvälisiä törmäyksiä tapahtuu usein ja monissa eri plasmaympäristöissä, mutta niihin liittyvistä prosesseista on hyvin vaikea saada suoria havaintoja. Ensimmäisessä artikkelissa analysoidaan tarkasti törmäys, jossa poikkeuksellisen kattavat satelliittihavainnot mahdollistavat eri prosessien yksityiskohtaisen tarkastelun. Tutkimuksen päätulos ovat ensimmäiset in situ -havainnot hiukkasten vapautumisesta shokkien törmätessä. Väitöskirjan toisessa artikkelissa tämä tulkinta varmistetaan simulaatioin. Kahdessa jälkimmäisessä tutkimuksessa tarkastellaan Maan magnetosfäärin ja keulashokin välisen magnetosheath-alueen erittäin nopeita, paikallisia virtauksia. Tämän tyyppisiä poikkeuksellisia virtauksia on havaittu jo aiemmin, mutta niiden syntymekanismia ei ole tunnettu. Väitöskirjan kolmannessa artikkelissa esitetään yksityiskohtaisten satelliittihavaintojen pohjalta, että virtaukset aiheutuvat keulashokin paikallisesta aaltoilusta. Neljännessä artikkelissa analysoidaan usean tällaisen virtauspurskeen ominaisuuksia ja osoitetaan niiden olevan yhteensopivia esitetyn syntymekanismin kanssa. Lopuksi tarkastellaan, miten nopeiden virtausten suuri dynaaminen paine kytkee ne osaksi Maan magnetosfäärin ja ionosfäärin laajempaa dynamiikkaa.
Permanenta länken (URI): URN:ISBN:978-951-697-770-9
http://hdl.handle.net/10138/36694
Datum: 2012-09-21
Subject: teoreettinen fysiikka
Rights: Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.


Filer under denna titel

Total number of downloads: Loading...

Filer Storlek Format Granska
multispa.pdf 1.171Mb PDF Granska/Öppna

Detta dokument registreras i samling:

Visa fullständig post