Titan's highly variable plasma environment: A 3D hybrid simulation study

Simon, Sven

Titan, der größte Mond des Planeten Saturn, besitzt eine ausgedehnte Atmosphäre, die hauptsächlich aus molekularem Stickstoff besteht. Im Gegensatz zu Erde und Saturn besitzt Titan kein signifikantes intrinsisches Magnetfeld. Der Orbit von Titan befindet sich in den äußeren Regionen von Saturns Magnetosphäre. Da Titans Umlaufdauer um Saturn erheblich größer als die Rotationsperiode des Gasriesen ist, wird Titan ständig vom korotierenden magnetosphärischen Plasma angeströmt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung zwischen Titans Ionosphäre und dem anströmenden Plasma mittels dreidimensionaler numerischer Simulationen analysiert. Da die Gyrationsradien der beteiligten Ionensorten mit dem Durchmesser von Titan vergleichbar sind, können magnetohydrodynamische Modelle nur eine grobe Beschreibung von Titans Plasmaumgebung liefern. Daher wurde Titans Plasmawechselwirkung mittels eines dreidimensionalen Hybrid-Simulationscodes untersucht. Der Hybrid-Ansatz beschreibt die Elektronen des Plasmas als masselose Flüssigkeit; die Ionen werden dagegen durch Makropartikel repräsentiert. Bis zu fünf verschiedene Ionenspezies wurden in die Berechnungen einbezogen. Im ersten Teil der Arbeit werden die Strukturen in Titans Plasmaumgebung in Abhängigkeit von der Position des Mondes in der Magnetosphäre diskutiert. Die asymmetrische Struktur von Titans Plasmaschweif wird detailliert beschrieben. Der zweite Teil der Arbeit stellt den Simulationsergebnissen Magnetfeld- und Plasmadaten gegenüber, die während der Cassini-Mission gesammelt wurden.

Titan is the largest satellite of Saturn and possesses an extended neutral atmosphere, consisting mainly of molecular nitrogen. Unlike Earth or Saturn, Titan does not possess a significant intrinsic magnetic field. For average solar wind conditions, Titan's orbit is located within the outer regions of Saturn's magnetosphere. Since Titan's orbital period is considerably larger than Saturn's rotational period, the moon is permanently "overtaken" by a flow of corotating magnetospheric plasma. The purpose of this work is to investigate the interaction between Titan's ionosphere and the impinging magnetospheric plasma flow by means of three-dimensional numerical simulations. Since the gyroradii of the involved ion species are comparable to the spatial extension of Titan, magnetohydrodynamic models can provide only a rough description of Titan's plasma environment. Therefore, Titan's plasma interaction has been studied by means of a three-dimensional hybrid simulation code. The hybrid approach treats the electrons as a massless fluid, whereas the ions are represented by macroparticles. The model includes up to five different ion species. In the first part of this work, the key features of Titan's plasma interaction are analyzed as a function of the satellite's orbital position. The highly asymmetric structure of Titan's plasma tail is discussed in detail. In the second part, the simulation results are compared to magnetometer and plasma data that have recently been collected during the Cassini mission.

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Simon, Sven: Titan's highly variable plasma environment: A 3D hybrid simulation study. 2007.

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