Wechselwirkung des Sonnenwinds mit nicht-magnetisierten planetaren Körpern: Hybrid-Simulationen zu Mond und Venus

Wiehle, Stefan

In dieser Arbeit werden numerische Simulation der Sonnenwindwechselwirkung am Mond und an der Venus durchgeführt. Hierzu wird der 3D-Hybrid-Simulationscode A.I.K.E.F. verwendet. Die Simulation des Mondes basieren dabei auf dem ersten Vorbeiflug der Sonde ARTEMIS P1 hinter dem Mond. Im Rahmen einer dynamischen Echtzeit-Simulation werden die Anströmbedingungen des Sonnenwinds kontinuierlich anhand angepasster Daten aus der NASA-OMNI-Datenbank variiert und können so sehr genau die von der Sonde hinter dem Mond gemessenen Daten reproduzieren. Zudem zeigt die Betrachtung des Magnetfelds in der Ebene senkrecht zur Anströmrichtung eine Art Friedrichs-Diagramm hinter dem Mond mit den drei grundlegenden MHD-Moden Fast, Alfvénisch und Slow, die anhand ihrer jeweils charakteristischen Signatur identifiziert werden können. Die Simulationen der Venus zielen zunächst auf die Untersuchung der ionosphärischen Magnetisierungszustände ab, die Abhängigkeit der Höhe der magnetischen Aufstauung vor der Ionosphäre vom Anströmdruck des Sonnenwindes konnte in den Simulationen reproduziert werden. Weitere Untersuchungen zeigen die Effekte eines Sektordurchgangs des Sonnenwindmagnetfeldes: Fossile Felder erreichen auf der Tagseite wie auch im Tail jeweils nur Lebensdauern von wenigen Minuten, die Neuausprägung des Bereichs mit umgekehrter y-Komponente des Magnetfelds beansprucht jedoch etwa 30 Minuten, da dieser Effekt durch die langsamen planetaren Ionen verursacht wird. Die Wechselwirkung beider Körper weist viele Gemeinsamkeiten auf, obwohl der ionosphärenlose Mond und die mit starker Ionosphäre ausgestatte Venus prinzipiell in unterschiedliche Kategorien der Wechselwirkung eingeordnet werden. Beide zeigen jedoch eine direkte Abhängigkeit der Wechselwirkungsstrukturen von der Richtung des Sonnenwindmagnetfelds, außerdem jeweils eine sehr lange nachtseitige Struktur (Wake bzw. Tail), die aus den sehr schnellen Anströmbedingungen des Sonnenwindes resultiert.

Numerical simulations of the solar wind interaction with Moon and Venus are performed in this work, applying the A.I.K.E.F. 3D hybrid simulation code. The Moon simulations are based on the first flyby of the ARTEMIS P1 probe behind the Moon. In a dynamic real time simulation, the solar wind upstream parameters are constantly adapted using shifted data from the NASA OMNI database, reproducing the data measured behind the Moon in very good agreement. Additionaly, a look at the magnetic field in the plane perpendicular to the upstream direction shows the formation of a structure resembling a Friedrichs diagram behind the Moon; the three basic MHD modes fast, Alfvénic and slow can be identified by their characteristic signatures. The simulations of Venus first focus on the reproduction of the ionospheric magnetization states. The dependency of the magnetic pile-up altitude on the solar wind upstream pressure is reproduced in the simulations. Further investigations show the effects of a solar wind magnetic field sector boundary crossing: while fossil fields on day- and nightside only show a lifetime of a few minutes, the reformation of the area of reversed magnetic field y-component requires about 30 minutes, as this effect is caused by the slow planetary ions. The interaction of both bodies shows many similarities, although the Moon without an ionosphere and Venus with a strong ionosphere belong to different categories of interaction. Common features for both include the direct dependency of the interaction structures from the solar wind magnetic field direction and a very extended nightside structure (wake or tail, respectively), caused by the very fast upstream conditions of the solar wind.

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Wiehle, Stefan: Wechselwirkung des Sonnenwinds mit nicht-magnetisierten planetaren Körpern: Hybrid-Simulationen zu Mond und Venus. 2014.

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