Internal Characteristics of Magnetic Clouds and Interplanetary Coronal Mass Ejections

Rodriguez Romboli, Luciano

Koronale Massenauswürfe (coronal mass ejections, CMEs) sind hochdynamische Ereignisse durch die das Sonnenplasma in den interplanetaren Raum geschleudert wird. Wird ein CME im interplanetaren Raum detektiert, so nennt man ihn Interplanetary CME (ICME). Man benutzt ein Set von Plasma- und Magnetfeldsignaturen um ICMEs zu identifizieren. Magnetische Wolken (magnetic clouds, MCs) gehören zu einer Untergruppe von ICMEs. Ihre Magnetfeldkonfiguration ähnelt der einer magnetischen Flussröhre. Durch die Analyse von Messdaten, die von Instrumenten an Bord der Raumsonde Ulysses zwischen 1992 und 2002 aufgezeichnet wurden, konnten insgesamt 40 magnetische Wolken identifiziert werden. Sie bilden die Basis für diese Arbeit. Die Ionisationszustände des Sonnenwindes dienen als ein robustes Hilfsmittel zur Charakterisierung der verschiedenen Arten von Sonnenwind. Die gemessenen Ladungszustände schwerer Ionen wurden in dieser Arbeit benutzt, um die Temperatur der Quellregion von ICMEs abzuleiten. MCs zeigen höhere Temperaturen, im Vergleich mit den Temperaturen die man innerhalb von ICMEs ohne Wolkenstruktur und im Sonnenwind findet. Diese Daten wurden mit einem Modell für das Magnetfeld verknüpft. Auf diese Weise gewinnt man einen Einblick in die innere Struktur magnetische Wolken. Regionen mit erhöhten Temperaturen sind auf den Bereich der Flussröhre beschränkt. Sauerstoffionen zeigen eine besonders starke Signatur einer magnetischen Wolke im Sonnenwind. Energiereiche Teilchen in ICMEs ermöglichen die Untersuchung ihrer Topologie und inneren Struktur, sowie ihrer magnetischen Verbindung mit der Sonne. Die chemische Zusammensetzung der energiereichen Teilchen in magnetischen Wolken wurde als ein Parameter benutzt, um die Beschleunigungsprozesse zu identifizieren. Die gefundene Elementhäufigkeit stimmt mit der Verteilung in so genannten graduellen SEPs (Solar Energetic Particles) überein, die durch interplanetare Stosswellen beschleunigt werden. Energiereiche Protonen innerhalb MCs zeigen vorwiegend bidirektionale Teilchenverteilungen entlang des Magnetfeldes, woraus man schließen kann, dass MCs geschlossene magnetische Strukturen sind, die wahrscheinlich noch mit der Sonne verbunden.

Coronal Mass Ejections (CMEs) are extremely dynamical events in which the solar plasma is ejected into interplanetary space. When a CME is detected in-situ by a spacecraft located in interplanetary space, it is then termed Interplanetary CME (ICME). A set of signatures in plasma and magnetic field data is used to identify it. Magnetic Clouds (MCs) represent a special type of ICMEs in which the magnetic field configuration resembles that of a flux rope. Using in-situ data provided by instruments onboard Ulysses, 40 magnetic clouds have been identified in the time period between 1992 and 2002. These events constitute the database for this thesis. The ionization level of the solar wind plasma serves as a robust tool to characterize the different types of solar wind. Charge states of heavy ions have been used in this work to infer the temperatures in the source region of ICMEs. MCs show increased temperatures with respect to non-cloud ICMEs and surrounding solar wind. By combining these data with a magnetic field model, insights into the internal structure of magnetic clouds are provided. Zones of increased temperatures are found to be confined to the flux rope region. Oxygen ions are found to provide a very good signature of magnetic clouds in the solar wind. Energetic particles can be used to study the ICME topology, internal structure and magnetic connectivity to the Sun. The elemental composition of the energetic particles contained in magnetic clouds has been used to identify the mechanism by which these particles are accelerated. The abundance ratios found are consistent with those for gradual solar energetic particle events (SEPs), meaning that these particles were accelerated by interplanetary shocks. The energetic protons within magnetic clouds are found to be predominantly bidirectional, pointing towards closed magnetic structures, probably with foot points connected connected back to the Sun.

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Rodriguez Romboli, Luciano: Internal Characteristics of Magnetic Clouds and Interplanetary Coronal Mass Ejections. 2005.

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