Classification of the interactions of planetary bodies with stellar winds by hybrid simulation

Vernisse, Yoann Edwin

Die Wechselwirkungen planetarer Körper mit dem interplanetaren Magnetfeld sind fast ausschließlich nur aus dem Blickwinkel der Planeten unseres Sonnensystems untersucht worden. Des Weiteren sind die Monde von Jupiter und Saturn in das vom jeweiligen Planeten erzeugte Magnetfeld eingebettet, was die Analyse von Mond-Magnetosphären-Wechselwirkungen ermöglicht. Alle diese Fälle im Sonnensystem stehen für Punkte in einem Parameterraum, der durch die Physik der Plasmawechselwirkungen aufgespannt wird. Bis jetzt haben nur äußerst wenige Studien die Wechselwirkungstypen untersucht, die nicht in unserem Sonnensystem vorkommen. Tatsächlich benötigt man für die Extrapolation von den bekannten Fällen zu diesen Wechselwirkungen numerische Werkzeuge, die erst seit einem Jahrzehnt verfügbar sind. In dieser Arbeit nutzen wir eines dieser numerischen Werkzeuge, den AIKEF-Code. Dieser ist ein Hybrid-Simulationscode, der das Plasma mittels der Beschreibung von Elektronen als Flüssigkeit und von Ionen als Teilchen behandelt. Im ersten Teil der vorliegenden Dissertation wird der AIKEF-Code genutzt um Lunar-Type- und Rhea-Type-Wechselwirkungen zu simulieren. Zwischen diesen beiden Punkten im Parameterraum der Wechselwirkungsregime werden auch andere Typen untersucht, die sich qualitativ unterscheiden von den bekannten unterscheiden. Im zweiten Teil werden Simulationen durchgeführt um Mercury-Upward- und Ganymede-Upward-Systeme zu untersuchen. Diese zwei Punkte im Parameterraum wurden bereits in der Literatur diskutiert und können als Referenzpunkte verwendet werden. Anschließend werden mittels mehrerer charakteristischer Systeme die Plasmastrukturen von Objekten untersucht, die zwischen diesen Punkten liegen. Diese Systeme werden zudem für verschiedene Orientierungen des interplanetaren Magnetfeldes untersucht. In anschließenden Kapitel wird der Code dazu genutzt um ein Venus-Type-System zu untersuchen und zwischen dem entsprechenden Punkt im Plasma-Wechselwirkungs-Parameterraum und dem Lunar-Type-System zu interpolieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Einblick in mögliche Wechselwirkungen von extrasolaren Planeten mit ihrem Stern zu geben und die Schlüssel zum Verständnis der Mechanismen, die in den verschiedenen Regimen ausgelöst werden, bereit zu stellen. Der letzte Punkt ist die Visualisierung des Parameterraums der Plasma-Wechselwirkungs-Regime.

Interactions of planetary obstacles with the interplanetary magnetic field have nearly exclusively been studied from the point of view of the planets in the solar system. In addition, the moons of Jupiter and Saturn are embedded in the magnetic field generated by their host planets, allowing to study moon-magnetosphere interactions. All these cases in the solar system represent points in a parameter space governed by plasma interaction physics. Up to now, very few studies have investigated the types of interactions that are absent from our solar system. Indeed, the abilities to extrapolate such interactions requires numerical tools that have only been available for a decade. In this work we use one of those numerical tools, the AIKEF code. The AIKEF code is a hybrid simulation code, which treats the plasma by simulating electrons as a fluid and ions as particles. In this thesis, the AIKEF code is used in a first part to simulate Lunar-Type and Rhea-Type interactions. Between those two points in the parameter space of the interactions regimes, other types are explored, separated by qualitative differences. In a second part, simulations are performed to study Mercury-Upward and Ganymede-Upward systems. Those two other points in the parameters space have been discussed in the literature and can be used as reference points. Subsequently, the configurations of the plasma interactions in between these two points are described through several characteristic systems. These systems are also investigated for different orientations of the planetary magnetic field. In the following chapter, the code is used to investigate a Venus-Type system and interpolate possible interaction types between this point in the plasma interaction parameter space and the Lunar-Type system. The purpose of this thesis is first to give an insight about possible interactions of extrasolar planets with their star, and to provide the keys to understand which mechanism is triggered in which regime of plasma interaction. The final point is to visualize the parameter space of the plasma interaction regime.

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Vernisse, Yoann Edwin: Classification of the interactions of planetary bodies with stellar winds by hybrid simulation. 2014.

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