Comprehensive Study of the Geosynchronous Plasma Environment : Transport and Loss

Korth, Haje

Diese Arbeit stellt eine ausfuehrliche Untersuchung der geostationaeren Plasmaumgebung dar. Sie basiert auf der umfangreichen Datenbank von Teilchenbeobachtungen der Magnetospheric Plasma Analyzer Instrumente an Bord fuenf der geostationaeren Satelliten des Los Alamos National Laboratory. Diese Datenbank wird in einer statistischen Studie dazu benutzt, die Abhaengigkeit der Protonen- und Elektronenfluesse im geostationaeren Orbit von der Lokalzeit (LT) und der geomagnetischen Aktivitaet, gekennzeichnet durch den Kp index, zu bestimmen. Wenn die Fluesse als Funktion von LT und Kp dargestellt werden, so beobachtet man deutliche Grenzlinien, die mit theoretischen Uebergaengen zwischen Gebieten offener und geschlossener Driftbahnen (Alfven layers), berechnet mit verschiedenen Modellen fuer das elektrische und magnetische Feld, verglichen werden. Der Vergleich zeigt, dass die theoretischen Alfven layers auf der Nachtseite bemerkenswert gut mit den Beobachtungen uebereinstimmen, was die statistische Eignung der Driftmodelle veranschaulicht. Weiterhin zeigt sich, dass die verminderten Fluesse auf der Tagseite nicht allein mit dem Zugang in Verbindung stehen. Stattdessen deutet sich an, dass die Teilchen waehrend der Drift um die Erde erhebliche Verluste erleiden. Im Falle der Ionen sind diese Verluste zum grossen Teil auf Ladungsaustauschreaktionen mit neutralen Wasserstoffatomen zurueckzufuehren. Mit Hilfe tomographischer Inversionsmethoden ist es moeglich, von den beobachteten statischen Verlusten auf die raeumliche Verteilung des exosphaerischen neutralen Wasserstoffs erdwaerts des geostationaeren Orbits zu schliessen.

This thesis represents a comprehensive analysis of the geosynchronous plasma environment. It is based on the large database of particle observations by the Magnetospheric Plasma Analyzer instruments aboard five of the Los Alamos geosynchronous satellites. In a statistical study, this database is utilized to determine the dependence of proton and electron fluxes at geosynchronous altitudes on local time (LT) and the geomagnetic activity level as measured by Kp. When displayed as a function of LT and Kp, the fluxes exhibit distinct boundaries which are compared to theoretical boundaries between regions of open and closed drift trajectories (Alfven layers), calculated from several electric and magnetic field models. It is found that on the nightside the theoretical boundaries and the observations are in remarkably good agreement with each other, demonstrating the statistical suitability of the convection models. The diminished fluxes on the dayside are found to be not solely access-related, but rather suggest that the particles experience significant losses as they drift around the Earth. For ions, these losses are largely caused by charge exchange reactions with hydrogen atoms. Applying tomographic inversion techniques, the observed statistical losses inside the geosynchronous orbit region are used to infer the spatial distribution of exospheric neutral hydrogen.

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Korth, Haje: Comprehensive Study of the Geosynchronous Plasma Environment : Transport and Loss. 2001.

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