Low Frequency Waves Upstream and Downstream of the Terrestrial Bow Shock

Narita, Yasuhito

Die CLUSTER-Raumsondemission ermöglicht erstmals Messungen an vier Raumpunkten im erdnahen Weltraum, damit man nicht nur Wellenvektoren, sondern auch Dispersionsrelationen und Ausbreitungsmuster der Wellen sowie Eigenschaften der Turbulenz nahe der Bugstoßwelle der Erde bestimmen kann. Außerdem können solche Eigenschaften durch die Berechnung der Doppler-Verschiebung im richtigen Rahmen, Plasma-Ruhesystem, dargestellt werden. Die Dispersionsrelationen im Upstream-Gebiet (vor der Bugstoßwelle) zeigen zwei Kurven, die der rechthändige zirkular polarisierte Mode und der Ionenstrahl-resonante Mode entsprechen. Im Downstream-Gebiet (hinter der Bugstoßwelle) zeigen die Dispersionsrelationen eine Kurve, die der Mirror-Mode entspricht. Die Eigenschaften der Mirror-Mode ist statistisch am häufigsten im Downstream-Gebiet beobachtet. Interessanterweise zeigen die Mirror-Mode eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die Mirror-Mode mag also mit der räumlichen Inhomogenetät gekoppelt werden. Während die Upstream-Wellen sich parallel zum Magnetfeld nach außen von der Erde ausbreiten, breiten sich die Downstream-Welle senkrecht zum Magnetfeld und nach innen zur Erde aus. Wellenzahlspektren im Upstream-Gebiet werden auch direkt bestimmt, und die Fluktuationen werden vom Blickwinkel der Turbulenz interpretiert. Die Upstream-Wellen stellen die Eigenschaften der intermittenten Turbulenz dar, d.h. das Upstream-Gebiet hat keine Zeit, um voll entwickelte Turbulent zu werden.

The thesis makes use of the four point measurements provided by the Cluster spacecraft mission and determines not only wave vectors but also dispersion relations, propagation patterns, and wave number spectra in the upstream and the downstream regions of the terrestrial bow shock. Furthermore, those wave properties are determined in a proper frame of reference, the plasma rest frame, by correcting the Doppler shift. In the upstream region the dispersion relation exhibits two branches which correspond to the right-hand polarized magnetosonic/whistler mode and the ion beam resonant mode, respectively. The upstream waves exhibit phase velocities oriented toward upstream along the magnetic field in the plasma rest frame. In the downstream region the dispersion relations show a transition to the mirror mode whose properties are frequently detected in the statistical study, too. Interestingly, the mirror modes have finite propagation speeds, possibly coupled to the background inhomogeneities known as the drift mirror mode. While the upstream waves propagate nearly parallel to the background magnetic field, the downstream waves propagate nearly perpendicular. On a statistical average there is an organization of wave propagation pattern: outward divergent in the upstream region; toward the magnetosheath flank region aligned with the plasma flow direction in the downstream region; and inward convergent in the magnetosheath flank. The wave number spectra are also directly determined for the magnetic field fluctuations in the shock upstream region and they are interpreted in light of turbulence. The fluctuations exhibit properties of not fully developed turbulence but intermittency, suggesting that there is not enough time for turbulence to become fully developed.

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Narita, Yasuhito: Low Frequency Waves Upstream and Downstream of the Terrestrial Bow Shock. 2006.

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