Universität zu Köln

Knetter, Thorsten (2005). A new Perspective of the Solar Wind Micro-Structure due to Multi-Point Observations of Discontinuities. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

We present a statistical analysis of directional discontinuities in the solar wind at 1 astronomical unit. It is the first study of this kind based on simultaneous observations at four nearby spacecraft. We use recent magnetic field and plasma data from the coordinated Cluster spacecraft flying in formation a few hundred to a few thousand kilometres apart. With four measuring platforms the ability to observe is considerably improved. For example, the simultaneous four-point measurements allow for determining the discontinuity normals by analysing the time differences between the occurrence of the discontinuity at each of the four spacecraft. The events used in our analysis are grouped in three sets according to the period of their observation, i.e., January - May of 2001, 2002 and 2003, respectively. The main distinction between these three data sets is the different spacecraft separation, from 100 km in 2002 to 5000 km in 2003, which enables us to investigate interplanetary discontinuities at different scales. Another difference between the three data sets are the different prevailing solar wind conditions. These include both slow solar winds and fast streams that map back to coronal holes on the Sun. Our analysis demonstrates that the Minimum Variance Analysis (MVA), an established and widely used single-spacecraft technique to compute normals of discontinuities, is much less reliable than previously assumed. We determine new criteria to decide whether or not MVA yields reliable normal estimates. An important parameter is the ratio of intermediate to minimum eigenvalue of the magnetic covariant matrix. Instead of using 2 as the lower limit for this ratio for applicability of MVA, as is common practice, we strongly suggest applying MVA only if the ratio is greater than 10. Furthermore, the accuracy of MVA increases with increasing spreading angle, the angle between the magnetic field vectors on the two sides of the discontinuity. We recommend MVA should not be used for angles less than 60 degree. Inaccurate MVA normal estimates have resulted in a dramatic overestimation of the number of rotational discontinuities in earlier studies. Using the relative timing technique, we do not find a single clear rotational discontinuity. A detailed error analysis of the multi-spacecraft tool puts this new result on a firm footing. Analysis of plasma data shows that many discontinuities do not satisfy the polarisation relation, a necessary condition for rotational discontinuities. Our results allow for the interpretation that the solar wind is dominated by tangential rather than rotational discontinuities which is in apparent contradiction to earlier single-spacecraft studies. This finding is particularly true for fast coronal hole streams where earlier observations claim a high abundance of rotational discontinuities. Our new results entail significant implications for the dynamics of the solar wind micro-structure and generation mechanisms for discontinuities. We also discuss possible consequences for the understanding of the source region on the Sun and for the propagation of cosmic rays through the heliosphere. We study further properties of directional discontinuities, such as their thickness, their orientation in space and their large-scale curvature. We conclude that interplanetary discontinuities are 1-D structures superposed by non-isotropic fluctuations.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Neue Einsichten in die Mikrostruktur des Sonnenwindes durch Multisatellitenbeobachtungen von Diskontinuitäten German
Translated abstract:	Abstract Language In der vorliegenden Arbeit stellen wir eine statistische Untersuchung von Richtungsdiskontinuitäten (DDs) im Sonnenwind in der Nähe der Erde vor. Es ist die erste Analyse dieser Art, die auf der gleichzeitigen Beobachtung an den Orten von vier anstelle von nur einem Satellit basiert. Dies ermöglicht die Anwendung überlegener Auswertungstechniken. Beispielsweise kann die Diskontinuitätsnormale anhand der Zeitdifferenzen zwischen dem Auftreten der Struktur an den einzelnen Satelliten ermittelt werden. Wir benutzen aktuelle Magnetfeld- und Plasmadaten von den koordinierten Clustersatelliten. Die ausgewählten 366 Ereignisse unterteilen sich in drei Gruppen, entsprechend der Untersuchungszeiträume, in denen die Clusterbahn Sonnenwindanteile aufweist (Januar - Mai im Jahr 2001, 2002, bzw. 2003). Die Satellitenabstände variieren zwischen 100 km im Jahr 2002 und 5000 km im Jahr 2003, wodurch eine Untersuchung der interplanetaren Diskontinuitäten auf verschiedenen Längenskalen möglich ist. Ein weiterer Unterschied zwischen den drei Datensätzen sind die verschiedenen vorherrschenden Sonnenwindbedingungen. Sowohl langsamer Sonnenwind als auch schnelle Ströme, die von koronalen Löchern auf der Sonne stammen, sind im Untersuchungszeitraum beinhaltet. Unsere Arbeit zeigt, dass die so genannte Minimum-Varianz-Analyse (MVA), eine etablierte und weit verbreitete Methode zur Bestimmung der Diskontinuitätsnormalen, sehr viel ungenauer ist als zuvor angenommen wurde. Wir sind darüber hinaus in der Lage, die Voraussetzungen zu spezifizieren, bei denen diese Einsatellitenmethode möglicherweise sinnvolle Ergebnisse liefert. Ein wichtiger Parameter dabei ist das Verhältnis des mittleren zum kleinsten Eigenwert der magnetischen Kovarianzmatrix. In früheren Arbeiten wurde häufig ein Minimalwert von 2 für dieses Verhältnis benutzt, um sinnvolle Ergebnisse zu gewährleisten. Unsere Multisatellitenanalyse zeigt jedoch, dass dies viel zu optimistisch ist. Wir empfehlen, ein Eigenwertverhältnis von mindestens 10 als untere Grenze zu wählen. Darüber hinaus erhöht sich die Güte der MVA mit wachsendem Spreizwinkel, dem Winkel zwischen den Magnetfeldvektoren auf den beiden Seiten der Diskontinuität. Unsere Auswertung zeigt, dass MVA nicht benutzt werden sollte, wenn der Spreizwinkel weniger als 60 Grad beträgt. Für die Analyse von interplanetaren Diskontinuitäten hat die deutliche Überschätzung der MVA-Genauigkeit dramatische Folgen. Die in früheren Arbeiten prognostizierte große Population von Rotationsdiskontinuitäten (RDs) ist ausschließlich eine Folge der ungenauen MVA-Normalen. Beschränkt man sich bei der Anwendung der MVA nur auf die Fälle, bei denen von sinnvollen Ergebnissen auszugehen ist, so schrumpft die Anzahl der aufgrund der Normalkomponente des Magnetfeldes identifizierten RDs dramatisch. Anwendung der Zeitdifferenzenmethode liefert ausschließlich kleine Normalkomponenten. Tatsächlich zeigt die Fehleranalyse, dass die Normalkomponenten für alle untersuchten Fälle konsistent mit Null sind. Anders ausgedrückt, sind alle unsere Ereignisse konsistent mit Tangentialdiskontinuitäten (TDs), was im deutlichen Widerspruch zu sämtlichen früheren Arbeiten steht. Insbesondere trifft dies auf den schnellen Sonnenwind koronalen Ursprungs zu, der nach früherer Erkenntnis die meisten RDs beherbergen soll. Neben der Normalkomponente des Magnetfeldes gibt es noch eine Reihe weiterer Kriterien, anhand derer man Diskontinuitäten klassifizieren kann. Beispielsweise ist die Erfüllung der Polarisationsrelation eine notwendige Bedingung für RDs. Diese wird von den meisten unserer Ereignisse nicht erfüllt. Somit sind nicht nur alle DDs unserer Stichprobe konsistent mit TDs, sondern die meisten sind auch inkonsistent mit RDs. Dies lässt erstmals die Schlussfolgerung zu, dass es im Sonnenwind keine RDs gibt. Unsere neuen Ergebnisse haben eine große Bedeutung für die Dynamik der Mikrostruktur des Sonnenwindes und für mögliche Erzeugungsmechanismen von Diskontinuitäten. Neben der Klassifizierung von DDs beschäftigen wir uns mit weiteren statistischen Eigenschaften dieser Strukturen, wie zum Beispiel der Dicke, der Orientierung im Raum und der großskaligen Krümmung der Grenzflächen. Die gleichzeitige Beobachtung der DDs an vier verschieden Orten und die Anwendung unterschiedlicher Auswertetechniken führt schließlich zu einer Modellvorstellung dieser Strukturen: Interplanetare Diskontinuitäten setzen sich zusammen aus idealen 1-D-Strukturen, die zumindest auf der Clusterskala (5000 km) planar sind, und überlagerten anisotropen Fluktuationen. Die sich aus der vorliegenden Arbeit ergebenen möglichen Konsequenzen, etwa für die Ausbreitung kosmischer Strahlung in der Heliosphäre oder der koronalen Heizung, können hier nur am Rande diskutiert werden. Es erscheint jedoch erstrebenswert, sich dieser Problematiken im Lichte der neuen Erkenntnisse anzunehmen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Knetter, Thorsten knetter@geo.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-15081
Date:	2005
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Diskontinuitäten , Sonnenwind , Weltraumplasmaphysik , Multisatellitenanalyse German discontinuities , solar wind , space plasma physics , multi-spacecraft-analysis English
Date of oral exam:	6 July 2005
Referee:	Name Academic Title Neubauer, Fritz M. Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1508