Magnetische Rekonnexion ist ein fundamentaler und universeller Prozess der sich auf unterschiedlichen Längenskalen in Weltraumplasmen abspielt. Er zeichnet sich verantwortlich für die explosive Umwandlung großer Mengen magnetischer Energie in thermische und kinetische Plasmaenergie. Als universeller Prozess findet magnetische Rekonnexion in astrophysikalischen Plasmen, in der Sonnenkorona, im Sonnenwind und in planetaren Magnetosphären statt. Dabei werden hochenergetische Teilchen beschleunigt und Plasmajets von hoher Geschwindigkeit erzeugt. In der Erdmagnetosphäre führt magnetische Rekonnexion zu großskaligen explosiven Störungen der Magnetosphäre (magnetische Teilstürme), die gravierende Konsequenzen für die Magnetosphärendynamik und das Funktionieren der technologisierten menschlichen Gesellschaft (Einfluss auf Stromnetzwerke, GPS, Radio- und Satellitenkommunikation…) besitzen. Momentan untersucht die ambitionierte internationale Multi-Raumsondenmission MMS (Magnetospheric Multi-Scale) den Rekonnexionsprozess auf jenen kleinen Längenskalen auf denen Elektronen sich unabhängig vom Magnetfeld bewegen und daher für magnetische Rekonnexion bedeutsam sind. Die MMS Mission besteht aus vier identischen Raumsonden, ausgestattet mit Messgeräten um Plasma- und Magnetfeldgradienten in höchstmöglicher zeitlicher Auflösung zu messen und räumliche von zeitlichen Variationen zu unterscheiden.
Die einzigartigen Beobachtungsmöglichkeiten von MMS erlauben uns den wissenschaftlichen Rahmen von MMS zu erweitern um ein besseres Verständnis vom Rekonnexionsprozess und seinen Auswirkungen auf den Magnetschweif zu erhalten. Die Ziele dieses Projekts sind die Entwicklung eines semi-analytischen und numerischen Modells sowie von Fernerkundungswerkzeugen um Informationen über den Rekonnexionsprozess und seine Auswirkungen auf magnetische Teilstürme zu erhalten. Durch die Kombination von theoretischer Analyse, numerischer Simulationen [u.a. Particle-in-Cell (PIC) und globale Magnetohydrodynamik (MHD)] und Raumsondenbeobachtungen (u.a. MMS, THEMIS, Cluster, DMSP, POES) wollen wir folgende Arbeiten in Angriff nehmen:
- Entwicklung des ersten semi-analytischen Modells zeitunabhängiger Rekonnexion unter Abdeckung der Elektronen-, Ionen- und MHD-Skalen. Vergleich des Modells mit Resultaten von PIC Simulationen und MMS Beobachtungen.
- Entwicklung eines Algorithmus zur inversen Problemlösung um essentielle Rekonnexionsparameter aus Raumsondenbeobachtungen im Rekonnexionsgebiet zu gewinnen. Validierung des Algorithmus mittels PIC Simulationen und Überprüfung mittels MMS Beobachtungen.
- Untersuchung von Prozessen nahe der Separatrix in ausreichender Distanz zum Rekonnexionsgebiet um deren Zusammenhang mit der Struktur des Rekonnexionsgebiets zu bestimmen. Untersuchung von Einflüssen der Rekonnexionsaktivität und des Teilsturm-Stromkeils (SCW) auf starke Bewegungen der Plasmagrenzschicht (PSBL). Entwicklung von Methoden um via Fernerkundung Rekonnexionsparamter während entfernter Separatrix-Querungen zu bestimmen.
- Untersuchung des Einflusses von beschleunigtem Plasma (BBFs) und Teilsturm-assoziierten Stromsystemen auf die Plasmaschichtdynamik unter der Verwendung von Raumsondenbeobachtungen und globaler MHD Simulationen. Dabei wird auch auf die Abbremsregion (‚flow braking region‘) und Teilcheninjektionen in die innere Magnetosphäre Bedacht genommen.
- Untersuchung von Teilchen-Welle-Wechselwirkung in BBFs, welche zur Erhöhung der Elektronentemperatur, Teilchenregen in die Ionosphäre und die Abbildung von Plasmaströmen in Form von Polarlichtern führen kann.
- Untersuchung der globalen Effekte von Teilstürmen durch Einbeziehung einer Vielzahl an Raumsonden in Kombination mit adaptiven Magnetosphärenmodellen und bodenbasierenden Beobachtungen, inklusive einer neuen Methode um die regionale Charakteristik des Polarlicht-Elektrojets zu berechnen.