Für den Onset geomagnetischer Teilstürme wird im Allgemeinen eine Instabilität in der Stromschicht des geomagnetischen Schweifs angenommen, die in der Übergangszone von schweifartigen zu dipolartigen magnetischen Feldlinien auftritt. Kandidaten für diese Instabilität sind die Ballooning/Interchange Instabilität (BICI) und Double-Gradient Instabilität (DGI). Bis dato wurden Untersuchungen dieser Instabilitäten unter der Annahme einer symmetrischen Stromschicht angenommen. Das interplanetare Magnetfeld, der Sonnenwind sowie die Neigung des geomagnetischen Dipols beeinflussen allerdings die Form und Inklination der Stromschicht. Unter realistischen Bedingungen ist die Stromschicht also geneigt und nicht symmetrisch. Dieser Effekt wurde bisher nicht in Betracht gezogen.
Ziel dieses Projekts ist es, den Effekt einer geneigten Stromschicht auf den Onset von Teilstürmen und die Formation und Evolution von BICI und DGI zu untersuchen.
Zu diesem Zweck wollen wir Antworten auf die folgenden wissenschaftlichen Fragen finden: (1) Begünstigt eine geneigte Stromschicht die Formation von Instabilitäten? (2) Können Instabilitäten in einer geneigten Stromschicht schneller anwachsen? (3) Begünstigt eine geneigte Stromschicht den Onset von Teilstürmen? (4) Beschleunigt magnetische Rekonnexion das Anwachsen von Instabilitäten?
Somit wollen wir eine geneigte Stromschicht bezüglich (1) ihrer Stabilität (2) des Zusammenspiels verschiedener Wellentypen (3) ihrer Relation zu Teilstürmen und (4) den Einfluss von Rekonnexion auf die Evolution von Instabilitäten untersuchen.
Um diese Ziele zu erreichen, planen wir analytische und numerische Methoden zu verwenden, sowie die Auswertung von Satellitendaten in enger Zusammenarbeit mit unseren internationalen Partnern miteinzubeziehen. Um die Bedeutung von Elektronenströmen und kinetischer Effekte während der Entstehung von Instabilitäten zu erforschen, planen wir ein analytisches Hall-MHD (HMHD) Modell der DGI für symmetrische und gebogene Stromschichtkonfigurationen zu verwenden. Diese Untersuchungen werden ergänzt durch nichtlineare 3D MHD und HMHD sowie 3D PIC Simulationen. Die nichtlineare BICI/DGI Evolution in symmetrischen und gebogenen Stromschichten wird mittels zuvor genannter 3D Simulationen (MHD/HMHD/PIC) durchgeführt. Das Zusammenspiel von unterschiedlichen Wellentypen wird mittels eines „magnetic filament“ Ansatzes gelöst um die gemeinsame zeitliche Entwicklung und mögliche Dominanz eines Wellentyps zu untersuchen.
Für Untersuchungen des Zusammenspiels von Rekonnexion mit Instabilitäten wird ein 2.5D Elektronen-Hall MHD entwickelt um die Stabilität einer realistischen Magnetschweifkonfiguration zu untersuchen und die Elektronenstromschicht zu rekonstruieren. Die analytischen und numerischen Untersuchungen werden von Beobachtungen der THEMIS und MMS Missionen unterstützt. Diese Multi-Raumsonden-Missionen erlauben uns Instabilitätsstrukturen gleichzeitig von unterschiedlichen Beobachtungspunkten und über unterschiedliche Skalen – von der Elektronen zur MHD Skala – zu studieren.
Es wird also ein umfassender Zugang gewählt, der theoretischen und numerische Studien sowie Datenanalyse unter einer realistischen Magnetschweifkonfiguration – die in bisherigen Studien nicht berücksichtigt wurde – kombiniert. Dieser Zugang kann Aufschluss über die Formation und Entwicklung von Teilsturm-relevanten Instabilitäten und die Rolle einer geneigten Stromschicht auf den Onset von Teilstürmen geben.