Energy conversion across the Earth's magnetopause: Observations

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-697-798-3
Julkaisun nimi: Energy conversion across the Earth's magnetopause: Observations
Tekijä: Anekallu, Chandrasekhar Reddy
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, fysiikan laitos
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Tiivistelmä: The Sun drives the near-Earth electrodynamics by supplying the needed energy through the continuous stream of plasma called the solar wind blowing away from the Sun. The solar wind energy enters the Earth's magnetosphere through the magnetopause and mechanisms such as magnetic reconnection, diffusion, impulsive penetration, etc., facilitate the entry. For example, magnetic reconnection between magnetosheath and magnetospheric fields efficiently converts energy from magnetic to kinetic forms. Quantifying the amount of energy converted at the magnetopause in the magnetic reconnection and its subsequent distribution within the magnetosphere ionosphere system is one of the most important questions in space physics. Our current understanding of the conversion process at the magnetopause is based on theory of magnetopause reconnection. When the interplanetary magnetic field (IMF) is directed southward, magnetic reconnection takes place equatorward of magnetospheric cusps and the magnetic tension accelerates the plasma converting magnetic energy into kinetic form, while in the tail magnetic energy increases at the expense of plasma kinetic energy. During northward IMF, reconnection moves behind the cusps and the field lines advect towards the dayside. Hence, for southward IMF, equatorward of cusps is an electromagnetic load whereas the tailward of cusps is a generator and vice versa for northward IMF. Magnetohydrodynamic (MHD) simulations confirm this theoretical description. However, observational verification of this understanding has not been addressed due to limitations associated with spacecraft observations and methodology to calculate energy conversion. The focus of this doctoral thesis is to investigate the magnetopause energy conversion using observations and to compare to previous simulation results on the subject. The final aim is to present the first statistical investigation of magnetopause energy conversion within the magnetopause using European Space Agency's Cluster spacecraft observations. The thesis is based on four articles including an introductory part. The introduction presents a review of the physics of the magnetopause, energy conversion process and the methods to investigate the subject observationally and compares the results to previous modeling results. The thesis ends with a discussion of energy conversion in the context of magnetopause reconnection and presents guidelines to address the topic in future investigations. In Paper I and II we estimated energy conversion across the Earth's magnetopause using Cluster observations and presented a comparison with the Finnish Meteorological Institute's GUMICS-4 global MHD simulations. Detailed data analysis and comparison with simulations indicated the existence of spatial variation in magnetopause energy conversion associated with IMF direction. These papers present the first observational evidence that the earlier simulation results may correctly reflect the nature of magnetic energy conversion within the magnetopause. In Paper III we investigated the usability of single spacecraft methods to calculate energy conversion instead of the more accurate multi spacecraft methods that can only be utilized during a limited periods of time when the inter-spacecraft distance is optimal. Paper III presents a comparison of magnetopause normal, velocity and energy conversion between multi and single spacecraft methods. Paper III also presents the uncertainties associated with single spacecraft methods in comparison to multi spacecraft methods. The paper concludes that single spacecraft methods consistently produce results similar to multi spacecraft methods while magnitude differences remain. In Paper IV we examine the spatial variation of magnetopause energy conversion and compare observations with simulations and with current theoretical understanding. A database of 4000 magnetopause crossings from Cluster spacecraft 1 was compiled from 2001-2008. Using single spacecraft methods, we estimated energy conversion and investigated magnetopause energy conversion as a function of solar wind parameters and the IMF. We found that the spatial pattern to some extent agrees with our current theoretical understanding with some disagreements. We interpret that the observed spatial pattern reflects the globally continuous and locally intermittent nature of magnetopause reconnection. The disagreements with simulations arise partly due to the local behaviour present in observations which is difficult to reproduce in global MHD simulations.Aurinko pitää yllä Maan lähiavaruuden sähkömagneettisia ilmiöitä puhaltamalla niiden tarvitseman energian Maan ympäristöön aurinkotuuleksi kutsutun jatkuvan plasmavirran muodossa. Aurinkotuulen energiaa siirtyy Maan magnetosfääriin magnetopausin läpi, ja siirtymistä edistävät useat mekanismit, kuten rekonnektio, diffuusio ja impulssitunkeutuminen. Esimerkiksi magneettivaipan ja magnetosfäärin magneettikenttien välinen rekonnektio muuntaa tehokkaasti magneettikenttien energiaa liike-energiaksi. Yksi avaruusfysiikan tärkeimmistä kysymyksistä on määrittää, paljonko energiaa magnetopausilla muuntuu ja miten tämä energia sitten jakautuu magnetosfääri ionosfääri-järjestelmään. Nykyinen ymmärryksemme energian muuntumisesta magnetopausilla perustuu rekonnektioteoriaan. Kun planeettainvälinen magneettikenttä (IMF) on eteläsuuntainen, rekonnektiota tapahtuu napaonkaloista kohti päiväntasaajaa sijaitsevalla alueella, ja magneettinen jännitys kiihdyttää plasmaa muuntaen magneettista energiaa kineettiseksi. Samalla pyrstön magneettinen energiasisältö kasvaa plasman liike-energian kustannuksella. Pohjoissuuntaisen IMF:n aikana rekonnektio siirtyy napaonkaloiden taakse ja kenttäviivat advektoituvat päiväpuolta kohti. Näin siis eteläisen IMF:n aikana napaonkaloiden rajaama magnetopausin päiväpuoli on sähkömagneettinen kuorma ja napaonkaloista pyrstöön päin oleva alue generaattori, ja pohjoisen IMF:n aikana päinvastoin. Magnetohydrodynaamiset (MHD) simulaatiot vahvistavat tämän teoreettisen kuvailun. Sen sijaan havaintoihin nojaavaa varmennusta ei ole tehty johtuen satelliittimittausten ja energianmuuntumisen laskentamenetelmien puutteellisuuksista. Tässä väitöskirjassa tutkitaan havainnoista energian muuntumista magnetopausilla sekä verrataan tuloksia aiempiin aihetta käsitteleviin simulaatiotutkimuksiin. Lopullisena tavoitteena on esittää ensimmäinen tilastollinen tutkimus energian muuntumisesta magnetopausilla käyttäen Euroopan avaruusjärjestön Cluster-satelliittien havaintoja. Väitöskirja koostuu neljästä artikkelista ja johdanto-osasta. Johdannossa esitetään katsaus magnetopausin fysiikkaan, energianmuuntumisprosessiin ja havaintojen analysointimenetelmiin sekä verrataan tuloksia aiempiin mallinnustuloksiin. Lopuksi väitöskirjassa pohditaan energian muuntumista magnetopausin rekonnektion yhteydessä ja esitetään suuntaviivoja sille, miten aihetta voisi lähestyä tulevissa tutkimuksissa. Artikkeleissa I ja II arvioimme Cluster-havainnoista energian muuntumisen määrän Maan magnetopausilla ja vertasimme tuloksia Ilmatieteen laitoksen globaaliin GUMICS-4-MHD-simulaatioon. Yksityiskohtainen data-analyysi ja simulaatiovertailut osoittivat, että energian muuntumisen avaruudellinen jakauma magnetopausilla vaihtelee IMF:n suunnan mukaan. Nämä artikkelit sisältävät ensimmäiset havaintotodisteet siitä, että aiemmat simulaatiotulokset voivat kuvata oikealla tavalla magneettisen energianmuuntumisprosessin luonnetta magnetopausilla. Artikkelissa III tutkimme yksisatelliittimenetelmien käytettävyyttä energian muuntumisen laskemiseen korvikkeena tarkemmille monisatelliittimenetelmille, joita voidaan käyttää vain rajallisina ajanjaksoina, kun satelliittien väliset etäisyydet ovat sopivat. Artikkelissa III verrataan yksi- ja monisatelliittimenetelmillä laskettuja magnetopausin normaalivektoria, nopeutta ja energian muuntumista. Lisäksi esitetään yksisatelliittimenetelmään liittyvät epävarmuudet verrattuna monisatelliittimenetelmiin. Johtopäätöksenä on, että yksisatelliittimenetelmät tuottavat johdonmukaisesti samankaltaisia tuloksia kuin monisatelliittimenetelmätkin, mutta tulosten suuruusluokkaan jää eroa. Artikkelissa IV tarkastelemme energian muuntumisen avaruudellista vaihtelua magnetopausilla sekä vertaamme havaintoja simulaatioihin ja tämänhetkisiin teoreettisiin käsityksiin. Cluster 1 -satelliitin mittauksista vuosilta 2001 2008 koostettiin 4000 magnetopausin läpilentoa käsittävä tietokanta. Laskimme energian muuntumisen magnetopausilla yksisatelliittimenetelmin ja tutkimme sen jakautumista aurinkotuulen ominaisuuksien sekä IMF:n funktiona. Löytämämme avaruudellinen jakauma sopii yhteen teoreettisten odotustemme kanssa jossain määrin, muttei täysin. Tulkintamme mukaan havaittu jakauma heijastaa magnetopausirekonnektion globaalisti jatkuvaa mutta paikallisesti jaksottaista luonnetta. Erot simulaatioon johtuvat osin havainnoissa ilmenevästä paikallisesta käytöksestä, jota on vaikea mallintaa globaaleissa MHD-simulaatioissa.
URI: URN:ISBN:978-951-697-798-3
http://hdl.handle.net/10138/41006
Päiväys: 2013-10-25
Avainsanat: physics
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
anekallu_dissertation.pdf 12.62MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot