Reduzierte Modellbildung für die dynamische Inversion von Magnetfeldmessungen an Planeten

Nabert, Christian

Die Wechselwirkung eines planetaren Magnetfeldes mit dem Sonnenwind ruft elektrische Ströme hervor, die die Magnetfeldverteilung am Planeten beeinflussen. In dieser Arbeit werden Methoden vorgestellt, mit denen der planetare Anteil des Magnetfeldes mit Raumfahrzeugdaten aus der Planetenumgebung bestimmt und die Prozesse der Interaktion analysiert werden können. So lässt sich mit der kommenden BepiColombo-Mission das intrinsisch erzeugte Magnetfeld von Merkur schätzen. Zunächst wird die Wechselwirkung über einen magnetohydrodynamischen (MHD) Simulationscode berechnet, wobei das Magnetfeld des Planeten über Parameter in das Modell eingeht. Eine Schätzung dieser Parameter erfolgt durch Minimierung der Abweichungen zwischen den Modelllösungen und Raumfahrzeugmessungen. Für die effiziente Berechnung vieler Parameter wird die Anwendung eines adjungierten Modells untersucht. Eine Bestimmung des Erdmagnetfeldes mit THEMIS-Daten aus der Magnetosheath validiert das Schätzverfahren im Rahmen statistischer und systematischer Fehler. Über eine Reihenentwicklungsmethode werden reduzierte MHD-Modelle hergeleitet, um mit einem geschätzten planetaren Magnetfeld die Wechselwirkungsprozesse zu analysieren. Die Modelle beschreiben die wichtigsten Prozesse in der Magnetosheath, wie ein Anstauen des Sonnenwindmagnetfeldes, magnetische Diffusion und Rekonnexion. Mit den Ergebnissen lässt sich der magnetische Diffusionsparameter des Plasmas schätzen. Weiterhin wird der Einfluss einer Inhomogenität in der Leitfähigkeitsverteilung auf die Bedingungen für Stoßwellen und die damit zusammenhängende Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen betrachtet. Die Ergebnisse der reduzierten Modelle zeigen, dass der Simulationscode einen zu großen numerischen Diffusionsparameter benötigt, welcher die Schätzung des planetaren Magnetfeldes systematisch verfälscht. Mit einem reduzierten Modell lässt sich aus Daten nahe der Stagnationslinie eine verbesserte Schätzung durchführen. Um den statistischen Fehler zu minimieren, kann mit den reduzierten Modellen eine zeitaufwendige simultane Schätzung von planetaren Magnetfeld- und Sonnenwindparametern durchgeführt werden, wenn sich zwei Raumfahrzeuge innerhalb der Wechselwirkungsregion befinden. Weiterhin lässt sich durch eine Projektionsabbildung die Gültigkeit der reduzierten Modelle von der Stagnationslinie auf das Gebiet der MHD-Simulation erweitern.

The interaction of a planetary magnetic field with the solar wind causes electrical currents which modify the magnetic field distribution around the planet. In this thesis, models are developed with respect to the upcoming BepiColombo mission which can be used to precisely estimate the planetary magnetic field of Mercury from the time-dependent measurements. First, the interaction is calculated using a magnetohydrodynamic simulation which depends on the parameters of the planetary magnetic field. These parameters are estimated by minimizing the misfit of the model and the spacecraft observations in the interaction region using a gradient based minimization algorithm. To perform this time-consuming procedure for a large number of planetary magnetic field parameters, an adjoint model of the interaction is derived and investigated. The estimation procedure is applied to THEMIS data of the magnetosheath to estimate the earth's magnetic field. Therefore, reduced models are derived to understand and improve the model of the interaction. These models are based on a series expansion procedure and describe the most important processes of the interaction such as the magnetic pile-up of the solar wind magnetic field in front of the magnetopause, magnetic diffusion, and reconnection. Furthermore, analytical approximations of the solutions are derived. Among others, the results are used to estimate the parameter of the magnetic diffusion at the subsolar point of the magnetopause. Additionally, it is shown that a nonuniform electrical conductivity can cause shocks and modify the speed of wave propagation in the plasma. The results of the reduced models indicate that a large numerical diffusion parameter required by the simulation produces errors which lead to a systematic error in the estimation of the planetary magnetic field. Using a reduced model, the interaction close to the stagnation streamline can be calculated quickly without magnetic diffusion and the systematic error. This model can also be used to perform the time-consuming estimation of solar wind and planetary magnetic field parameters simultaneously, if two spacecraft are in the interaction region. A transformation is introduced to extend the results of the reduced model to the domain of the magnetohydrodynamic simulation.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Nabert, Christian: Reduzierte Modellbildung für die dynamische Inversion von Magnetfeldmessungen an Planeten. 2017.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Details anzeigen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export