Universität zu Köln

Musacchio, Fabrizio-Michele (2016). The far ultraviolet aurora of Ganymede. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The far ultraviolet (FUV) aurora on Jupiter’s largest moon, Ganymede, is characterized by two distinct ovals in the northern and southern hemisphere, which have been investigated by several campaigns of the Hubble Space Telescope (HST) in the past two decades (e.g., Hall et al. (1998), Feldman et al. (2000) and McGrath et al. (2013)). The aurora is generated by electron-impact dissociative excitation of atomic and molecular oxygen in Ganymede’s tenuous atmosphere. The most likely acceleration mechanism for the high energetic electrons triggering the auroral emission are field aligned electric currents (FAC) accelerating electrons along the open-closed magnetic field lines boundary (OCFB) of Jupiter’s and Ganymede’s magnetic field towards the moon’s atmosphere (Eviatar et al. 2001a). This acceleration mechanism is consistent with the locations of the observed ovals being close to the intersection lines of the OCFB, predicted by numerical modeling, with Ganymede’s atmosphere (Feldman et al. 2000; Eviatar et al. 2001a; McGrath et al. 2013). The compression of Ganymede’s mini-magnetosphere due to the impinging Jovian magnetospheric plasma flow on the upstream side shifts the OCFB and accordingly the auroral ovals to elevated planetographic latitudes (between 40 and 55 ) on the trailing side (Neubauer 1998; Feldman et al. 2000; McGrath et al. 2013). On the downstream side, the mini-magnetosphere is stretched which shifts the OCFB to lower latitudes (between 10 and 30 ) on the leading side. Furthermore, the aurora on Ganymede is expected to be time-variable since the moon is exposed to the time-periodic plasma and magnetic field of Jupiter’s magnetosphere. The influence of periodically changing local plasma conditions on the morphology and brightness of Ganymede’s aurora has not been analyzed yet. In this thesis we systematically analyze the spatial structure and the temporal variability of Ganymede’s FUV auroral ovals as a function of its time-variable magnetospheric environment. We analyze spectral images obtained between 1998 and 2011 by the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) on-board of HST. The observations cover the satellite at eastern and western elongation, observing Ganymede’s leading and trailing side. The observations also cover various magnetic latitudes of Ganymede within the Jovian plasma sheet. As a result of our study, we find both, asymmetries in the spatial distribution of auroral brightness on the observed moon disk and temporal variations correlated to Ganymede’s changing position relative to the Jovian current sheet. We find a hemispheric dichotomy of the total disk averaged brightness between the leading side (95.4 ± 2.1 R) and the trailing side (67.2 ± 2.9 R), i.e., the plasma downstream side is significantly brighter than the plasma upstream side. Furthermore, the Jupiter-facing side of the moon disk is brighter than the anti-Jovian side by a factor of 1.81 ± 0.06 on the leading side and by a factor of 1.41 ± 0.14 on the trailing side, indicating local inhomogeneities in the current systems associated with the generation of the aurora. We demonstrate, that the auroral brightness is clearly correlated to Ganymede’s position relative the to Jovian current sheet, as we see an increased brightness on the leading side and a decrease of brightness on the trailing side, when Ganymede is inside the current sheet compared to elevated magnetic latitudes. At the same time, the auroral ovals shift on the leading side towards Ganymede’s planetographic equator by an average of 4.1 ± 0.7 latitude, and on the trailing side towards the poles by an average of 2.9 ± 1.5 latitude when Ganymede is at the center of the current sheet. The brightness variations and the ovals’ movements are a response to the changing local plasma conditions inside the current sheet as Ganymede’s mini-magnetosphere is exposed to a stronger interaction with the Jovian magnetospheric plasma. By calculating the center between the northern and southern oval we are able to derive further constraints on the orientation of Ganymede’s magnetic equator. We find that Ganymede’s dipole magnetic moment is oriented further westward at approximately 47 (+58 /-43 ) planetographic west-longitude compared to previous estimates. Finally, by analyzing the amount, the size and structure, and the longitudinal distribution of bright auroral spots along the ovals, we find that the occurrence of the spots is rather randomly than systematically ordered, which might be due to the intermittent magnetic reconnection at Ganymede’s upstream side (Eviatar et al. 2001a).

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language UNSPECIFIED German
Translated abstract:	Abstract Language Das im fernen ultravioletten Wellenlängenbereich (far ultraviolet, kurz: FUV) sicht- bare Polarlicht des größten Mondes Jupiters, Ganymed, zeichnet sich durch seine beiden Polarlichtovale in der Nord- und Südhemisphäre des Mondes aus. Das Polarlicht bei Ganymed wurde in den vergangenen zwei Jahrzehnten mit zahlreichen Kampagnen des Hubble Weltraumteleskops (Hubble Space Telescope, kurz: HST) untersucht (z.B. in Hall et al. (1998), Feldman et al. (2000) and McGrath et al. (2013)). Das Polarlicht entsteht durch dissoziative Elektronenstoßanregung atomaren und molekularen Sauerstoffs in Ganymeds dünner Atmosphäre. Der wahrscheinlichste Beschleunigungsmechanismus für die hochenergetischen Elektronen, die die Polarlichtemission anregen, sind feldparallele elektrische Ströme (field aligned currents, kurz: FAC), die die Elektronen entlang der Grenzfläche zwischen offenen und geschlossen Magnetfeldlinien Ganymeds und Jupiters (open-closed magnetic field lines boundary, kurz: OCFB) in Richtung der Atmosphäre Ganymeds beschleunigen (Eviatar et al. 2001a). HST Beobachtungen bestätigten, dass die Lage der Polarlichtovale mit der durch numerische Modellierungen theoretisch berechneten Schnittlinie der OCFB mit Ganymeds Atmosphäre nahezu übereinstimmt (Feldman et al. 2000; Eviatar et al. 2001a; McGrath et al. 2013). Ganymeds Mini-Magnetosphäre ist dem ständigen Strom von Plasma aus der Jupiter-Magnetosphäre ausgesetzt, wodurch die Mini-Magnetosphäre auf der angeströmten Seite, die zugleich Ganymeds orbital hinterher hinkende Hemisphäre ist (in Folge als Rückseite des Mondes bezeichnet), komprimiert wird (Neubauer 1998). Auf der abgeströmten Seite, die zugleich Ganymeds orbital führende Hemisphäre ist (in Folge als Vorderseite des Mondes bezeichnet), wir die Mini-Magnetosphäre gestreckt. Kompression und Streckung der Mini-Magnetosphäre bewirken, dass die OCFB und damit auch die Polarlichtovale auf der Rückseite Ganymeds zu höheren Breiten (zwischen 40 und 55 ) und auf der Vorderseite zu niedrigeren Breiten (zwischen 10 und 30 ) verschoben sind (Feldman et al. 2000; McGrath et al. 2013). Ferner unterliegt das Polarlicht auf Ganymed zeitlichen Variationen, da der Mond dem zeitlich variablen Plasma und Magnetfeld Jupiters ausgesetzt ist. Da der Einfluss zeitlich veränderlicher, lokaler Plasmabedingungen auf die Morphologie und die Helligkeit von Ganymeds Polarlichtern noch nicht hinreichend untersucht wurde, untersuchen wir in der hier vorgelegten Doktorarbeit systematisch die räumliche Struktur und zeitliche Variabilität von Ganymeds Polarlichtovalen im fernen ultravioletten Wellenlängenbereich als Funktion der zeitlich veränderlichen magnetosphärischen Umgebung des Mondes. Dazu analysieren wir einen großen Satz von spektroskopischen Bildern, die mit dem Space Telescope Imaging Spectrograph (kurz: STIS) an Bord von HST im Zeitraum von 1998 bis 2011 aufgenommen wurden. Die Beobachtungen decken Ganymed bei östlicher als auch bei westlicher Elongation und damit die Vorder- und Rückseite des Mondes ab. Ebenfalls decken die Beobachtungen Ganymed bei verschiedenen magnetischen Breiten innerhalb der Plasmaschicht Jupiters ab. Als Ergebnis unserer Studie beobachten wir sowohl Asymmetrien in der räumlichen Verteilung der Polarlichthelligkeiten auf der Mondscheibe als auch zeitliche Variationen dieser Helligkeiten als Funktion von Ganymeds wechselnder Lage bezüglich der Stromschicht. Wir erkennen eine Dichotomie der gemittelten Scheibenhelligkeit zwischen der Mondvorderseite (95.4 ± 2.1 R) und der Mondrückseite (67.2 ± 2.9 R), d.h. die vom Plasma abgeströmte Seite ist signifikant heller als die vom Plasma angeströmte Seite. Außerdem ist der Teil der Mondscheibe, der dem Jupiter zugewandt ist, auf der Mondvorderseite um den Faktor 1.81 ± 0.06 und auf der Mondrückseite um den Faktor 1.41 ± 0.14 heller als der Teil der Mondscheibe, der dem Jupiter abgewandt ist, was auf lokale Inhomogenitäten im Stromsystem, das mit der Entstehung der Polarlichter verknüpft ist, hinweist. Die Polarlichthelligkeiten sind eindeutig mit der Lage Ganymeds bezüglich der Stromschicht Jupiters verknüpft, was sich in einem Anstieg der Helligkeit auf der Mondvorderseite und einem Abfall der Helligkeit auf der Mondrückseite zeigt, wenn Ganymed von hohen magnetischen Breiten in die Stromschicht eintritt. Gleichzeitig verschiebt sich die Lage der Ovale auf der Mondvorderseite um durchschnittlich 4.1 ± 0.7 planetographischer Breite hin zum planetographischen Äquator Ganymeds und auf der Mondrückseite um durchschnittlich 2.9 ± 1.5 planetographischer Breite hin zu den Polen Ganymedes, wenn sich Ganymed in der Stromschicht befindet. Sowohl die Variationen der Helligkeiten als auch das Wandern der Polarlichtovale sind eine Reaktion auf veränderte lokale Plasmaeigenschaften innerhalb der Stromschicht, wo Ganymeds Mini-Magnetosphäre einer stärkeren Wechselwirkung mit dem magnetosphärischen Plasma Jupiters ausgesetzt ist. Durch die Berechnung der Mittelpunkte zwischen den Nord- und Südpolarlichtovalen sind wir darüber hinaus in der Lage, weitere Randbedingungen für die Berechnung der Orientierung von Ganymeds magnetischem Äquator abzuleiten. Unsere Berechnungen ergeben eine im Vergleich zur vorangegangenen Abschätzungen westlicher orientierte Lage von Ganymeds Dipolmoment bei etwa 47 (+58 /-43 ) planetographischer Länge. Am Ende unserer Studie untersuchen wir das Auftreten heller Polarlichtflecken entlang der Polarlichtovale hinsichtlich ihrer Anzahl, Größe, Form und Verteilung als Funktion planetographischer Länge. Wir entdecken ein vielmehr zufälliges als systematisches Auftreten der Polarlichtflecken, was möglicherweise durch die diskontinuierlich erfolgende Rekonnektion von magnetischen Feldlinien auf der angeströmten Seite der Mini-Magnetosphäre hervorgerufen wird. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Musacchio, Fabrizio-Michele mail@fabriziomusacchio.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-74071
Date:	14 November 2016
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:	Natural sciences and mathematics Physics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Aurora; Jupiter; Ganymede; Satellites; Galilean Moons; Hubble Space Telescope; Observations; Outer planets; Planetary Science; Space Physics; Moon-Plasma Interaction; HST; Data Analysis; Geophysics; solar system English Aurora; Polarlichter; Ganymed; Jupiter; Galileische Monde; Hubble Weltraumteleskop; Beobachtungen; Datenanalyse; Geophysik; Weltraumgeophysik; Mond-Plasma-Wechselwirkung; Sonnensystem; Plantenforschung German UNSPECIFIED English UNSPECIFIED English
Date of oral exam:	12 January 2017
Referee:	Name Academic Title Saur, Joachim Prof. Dr. Tezkan, Bülent Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7407