Energetic particles in the Jovian magnetosphere and their relation to auroral emissions

Tomás, Ana Teresa Monteiro GND

This thesis discusses the relation between the energetic particle characteristics measured by Galileo in the equatorial plane in the inner to middle Jovian magnetosphere, and the auroral emissions observed by the Hubble Space Telescope. This work determines particle and field properties in the transition region between the dipolar and the current sheet region of the Jovian magnetosphere. More precisely, a topological study of the energetic particle evolution (intensity, energy-time spectrograms, spectral index and pitch angle distributions) as well as magnetic field characteristics in the transition region is presented. The most distinct change is found in the electron pitch angle distribution (PAD boundary). The relation between the PAD boundary and the secondary auroral oval, a discrete feature observed equatorward of the main auroral oval, is discussed. The first step consists in using magnetic field models to trace field lines threading the boundary in the equatorial plane, to the Jovian ionosphere. Furthermore a discussion is presented on how adiabatic processes and particle diffusion processes, such as pitch angle diffusion by whistler waves, can explain the observed distributions in the equatorial plane and how they can be related to the Jovian auroral emissions. For this a simulation of electron pitch angle distribution changes under the assumption of adiabatic motion is performed, and compared with the observed distribution. The possibility of whistler wave generation as an important electron scattering mechanism is then discussed. The resulting precipitation fluxes are estimated and compared to the auroral observations. It is concluded that the PAD boundary is the magnetospheric source region of the secondary auroral oval. Furthermore, the importance of these mechanisms in the framework of global plasma transport models is discussed.

Diese Dissertation diskutiert den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften energiereicher Teilchen in der Äquatorregion der inneren und mittleren Jupitermagnetosphäre, gemessen an Bord der Raumsonde Galileo und den Polarlichtemissionen beobachtet durch das Weltraumteleskop Hubble. Eine topologische Untersuchung der Eigenschaften energiereicher Teilchen und des Magnetfeldes in der Übergangsregion zwischen Dipol- und Stromschichtbereich der Jupitermagnetosphäre wurde durchgeführt. Die deutlichste Änderung der untersuchten Parameter in dieser Region zeigte sich in der Pitchwinkelverteilung von Elektronen (,PAD- boundary"). Die Relation zwischen den Prozessen an dieser Grenze und dem sekundären Polarlichtoval (eine zweite Region in der Polarlichtzone äquatorwärts des Hauptovals) wurde diskutiert. In einem ersten Schritt wurde mit Hilfe eines Magnetfeldmodells Feldlinien aus dieser äquatorialen Grenzregion bis in die Ionosphäre von Jupiter verfolgt. Weiterhin wurde in dieser Arbeit diskutiert in wie weit adiabatische Teilchenbewegungen und Diffusionsprozesse, wie z.B. Pitchwinkeldiffusion durch Whistlerwellen die beobachteten Teilchenverteilungen erklären können und wie diese in Zusammenhang mit Prozessen in der Aurora stehen. Aus diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit unter der Annahme adiabatischer Bewegung von Elektronen eine Teilchensimulation durchgeführt und mit den beobachteten Verteilungen verglichen. Die Möglichkeit der Whistlerwellenerzeugung als bedeutenden Streumechanismus von Elektronen bei verschiedenen Pitchwinkeln wurde diskutiert. Die resultierenden Teilchenflüsse in der Auroraregion wurden abgeschätzt und mit den Beobachtungen des Hubble- Weltraumteleskops verglichen. Zusammenfassend konnte geschlossen werden, dass die Region der beobachteten Änderung in der Pitchwinkelverteilung von Elektronen zwischen der inneren und mittleren Jupitermagnetosphäre als Quellregion für das sekundäre Polarlichtval angesehen werden kann. Die Bedeutung dieses Mechanismusses innerhalb eines globalen Transportmodells der Jupitermagnetosphäre wurde zusätzlich diskutiert.



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Tomás, Ana: Energetic particles in the Jovian magnetosphere and their relation to auroral emissions. 2005.

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