The Plasma Environment of Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko

Götz, Charlotte Josefine

When a comet approaches the Sun, surface ices sublimate and escape into space. When these neutrals are ionised they present an obstacle to the solar wind flow. As most comet’s volatiles are water and carbon dioxide, these ions are much heavier than the protons in the solar wind, hence the process of accelerating and incorporating the cometary ions is called mass-loading. With decreasing heliocentric distance the density of cometary ions increases and thus the interaction of the two plasmas heavily depends on the heliocentric distance and activity of the comet. The Rosetta spacecraft followed comet 67P/Churyumov-Gerasimenko for an entire perihelion passage observing the evolution of the cometary plasma. Three interaction regimes are distinguished: the weakly, intermediately and strongly active stages. During the weak stage the plasma densities are low and the magnetic field is dominated by ultra-low-frequency waves. In the intermediately active stage, first boundaries start to emerge. As the cometary ions are accelerated, the solar wind is deflected and ultimately excluded from the inner regions of the interaction region. This solar wind cavity may be bounded by an infant bow shock that is highly asymmetric. The magnetic field magnitude increases with the increasing deceleration of the solar wind electrons and much more so along the stagnation streamline meaning that the magnetic field lines start to drape around the inner coma. Lastly, the strongly active comet has a plasma environment that is heavily modified. With a fully developed bow shock, magnetic field pile-up, draping and the formation of the field-free diamagnetic cavity, the cometary environment can extend several thousand kilometers from the nucleus. The magnetic field magnitude at the comet is modulated by the solar wind dynamic pressure. During solar wind events with high dynamic pressure the magnetic field increases up to a factor of six. The diamagnetic cavity at 67P/Churyumov-Gerasimenko is much more dynamic than expected, so much so that its extent was large enough to be measurable by Rosetta. A close investigation of the measurements shows that the diamagnetic cavity expands with gas production rate and contracts with higher upstream magnetic field. A model using the ion-neutral friction in the inner coma to balance the magnetic pressure at the boundary of this region cannot be applied for this comet, as plasma parameters indicate that the ions are not collisionally coupled to the neutrals.

Wenn sich ein Komet der Sonne nähert, sublimiert das Oberflächeneis und breitet sich im Raum aus. Diese Neutralgasteilchen werden ionisiert und sind somit ein Hindernis für den Sonnenwind. Da die Kometengase vor allem aus Wasser und Kohlenstoffdioxid bestehen, sind diese Ionen schwerer als die Sonnenwindprotonen, weshalb der Beschleunigungsprozess der kometaren Ionen auch als Massenbeladung bezeichnet wird. Die Interaktion der beiden Plasmen hängt von der heliozentrischen Distanz ab, da mit abnehmendem Abstand zur Sonne die Dichte der Ionen zunimmt. Die Raumsonde Rosetta hat den Kometen 67P/Tschurjumov-Gerasimenko während eines Periheliondurchgangs begleitet und das Plasma vermessen. Drei Interaktionsmoden werden unterschieden: schwach-, mittel- und stark-ausgasende Phase. In der ersten Phase sind die Plasmadichten klein und das Magnetfeld wird von niederfrequenten Wellen dominiert. In der mittleren Phase enstehen erste dezidierte Regionen. Wenn die kometaren Ionen beschleunigt werden, verlangsamt sich der Sonnenwind und wird schlussendlich komplett aus der inneren Region verdrängt. Diese Sonnenwindkavität wird von einer jungen, asymmetrischen Bugstoßwelle begrenzt. Das Magnetfeld wird stärker mit abnehmender Sonnenwindgeschwindigkeit und beginnt sich um die innerste Region zu legen. Abschließend ist die Plasmaumgebung in der starken Phase stark verändert. Die Interaktionsregion ist mehrere tausend Kilometer groß und besitzt eine Bugstoßwelle, Magnetfeldaufstau und Magnetfeldverformung, sowie eine feldfreie diamagnetische Kavität. Die Magnetfeldstärke am Kometen wird von dem dynamischen Druck im Sonnenwind bestimmt. Während Intervallen mit hohen Drücken kann das Magnetfeld um einen Faktor von bis zu sechs ansteigen. Die diamagnetische Kavität am Kometen 67P/Tschurjumov-Gerasimenko ist viel dynamischer als erwartet, sodass sie von Rosetta vermessen werden konnte. Die Größe nimmt mit der Gasproduktionsrate zu, und mit dem anströhmenden Magnetfeld ab. Ein Modell, das die Ionen-Neutralgasreibung in der inneren Koma benutzt um den Magnetfelddruck auszugleichen, konnte nicht bestätigt werden, da Plasmaparameter zeigen, dass die Ionen nicht durch Kollisionen an das Neutralgas gebunden sind.

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Götz, Charlotte: The Plasma Environment of Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. 2019.

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