Universität zu Köln

Schlegel, Stephan ORCID: 0000-0002-4779-2813 (2023). Magnetohydrodynamical Modelling of the Io Footprint and Tail Morphology. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Jupiter's aurora contains emission features that are associated with the Galilean moons, Io, Europa, and Ganymede. These footprints and their associated tail are generated by Alfvén waves that are produced by the relative movement of the moons and Jupiter's corotating plasma. The waves propagate along the magnetic field lines towards both hemispheres of Jupiter and trigger wave-particle interactions. The accelerated particles precipitate down towards Jupiter, generating auroral emissions in the process. The shape and location of these footprints give insight about the interaction and we can draw conclusions about the Jovian magnetic field, density in the magnetosphere, and even the moons atmosphere. Therefore, studying the interaction and observations of the footprints can help to deepen our understanding of the Jovian system. New observations with the Juno spacecraft have provided high resolution images of the footprints. These images revealed structures in the Io footprint tail that were not detectable by previous measurements. In these structures, the symmetry between the poleward and equatorward part of the footprint tail is broken and the tail spots are alternatingly displaced. This "Alternating Alfvén Spot Street" (AASS) is can not be explained by the current models. In this work we use the Alfvén wing model to compare the observed positions of the Io footprint and tail spots with expectations. We show that the locations of the main emissions of the footprint can be used to constrain the density model along the magnetic field lines connected Io's orbit and the Jovian magnetosphere. The inversion provides results comparable to values in the general literature. We further show that the location of the footprint and tail spots are consistent with Alfvén wave that get reflected as they propagate through the inner Jovian magnetosphere. In the second part of this work, we use magnetohydrodynamic simulations to investigate mechanisms that can break the symmetry and produce structures similar to the observed AASS. To investigate, how the emission pattern in Jupiter's ionosphere would look like, we used the Poynting flux of the Alfvén waves near Jupiter's surface as a proxy. We studied three different mechanisms in our simulation that could break the symmetry. First, we conducted a study where we activated the Hall conductance in Io's atmosphere. We show that the Hall effect can significantly alter the morphology of the Poynting flux. Additionally, combined with non-linear reflections that occur at the Jovian ionosphere, the Hall effect can produce alternating patterns in the footprint tail. We conclude that the Hall effect is a promising candidate for the reason behind the AASS. As a second mechanism, we investigated the influence of the different travel times of Alfvén waves originating from the Jupiter facing and opposite side of Io. The Poynting flux corresponding to the immediate vicinity of the main footprint emissions is only marginally altered. However, the symmetry breaking effect of the travel time difference accumulates down the tail and can therefore be a contributing factor towards generating the AASS. The third mechanism includes the asymmetry of Io's atmosphere. The inhomogenieties in the atmosphere are mapped along the magnetic field line and break the symmetry in the Poynting flux. However, the effects are minor for this mechanism and we rule out the asymmetries as the reason for the AASS. This work shows that the locations of the Io footprint and associated tail spots are consistent with reflected Alfvén waves in the magnetosphere and can be used to constrain a density model. Our study additionally provides an explanatory model for the generation of the observed AASS. In this model the Hall effect combined with non-linear reflection can explain the observed pattern, while travel time differences of Alfvén waves can play a contributing role. Further observation of the Galilean footprints could confirm this hypothesis.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Magnetohydrodynamische Modellierung der Morphologie des Io Fußpunkts und dessen Schweifs German
Translated abstract:	Abstract Language Ein Teil von Jupiter's Aurora ist auf die Galileischen Monde Io, Europa und Ganymede zurückzuführen. Diese charakteristischen Lichter befinden sich an den Enden der Magnetfeldlinien, die die orbitalen Positionen der Galileischen Monden mit Jupiters Atmosphäre verbinden und werden daher Fußpunkte genannt. Die Fußpunkte und deren zugehörigen Schweife werden durch Alfvénwellen generiert, welche wiederum durch die Relativbewegung der Monde und das umgebende Plasma erzeugt werden. Die Alfvénwellen breiten sich entlang der magnetischen Feldlinien aus und lösen Wellen-Teilchen-Wechselwirkungen über Jupiters Atmosphäre aus. Dadurch werden Teilchen zu Jupiter hin beschleunigt und können bei Kontakt mit atmosphärischen Partikeln Polarlichter erzeugen. Die Form und der Ort dieser Fußpunkte werden bestimmt durch die Generierung und Ausbreitung der Alfvénwellen. Daher können wir durch Beobachtungen Einblick in das Magnetfeld und die Dichteverteilung in der Magnetosphäre gewinnen und sogar Rückschlüsse über die Atmosphären der Monde schließen. Die Juno Weltraumsonde ist seit dem Jahr 2016 im Orbit um Jupiter und konnte einige hochauflösende Beobachtungen der Fußpunkte und deren Schweife liefern. Im Besonderen zeigten Beobachtungen des Schweifs des Io Fußpunkts neue Merkmale, die mit vorherigen Beobachtungen nicht aufgedeckt werden konnten. Diese Bilder offenbarten asymmetrische Strukturen, die einer Wirbelstraße ähneln. Punktuelle Helligkeitsmaxima im Schweif waren von der erwarteten Spur des Schweifs versetzt, abwechselnd in Richtung Pol und Äquator. Diese "Alternating Alvén Spot Street" (AASS) kann nicht zufriedenstellend von den momentanen Modellen zur Erzeugung der Fußpunkte und deren Schweif erklärt werden. In dieser Arbeit benutzen wir das Alfvénflügelmodell um die beobachteten Positionen der Fußpunkte mit den erwarteten Werten abzugleichen. Wir können zeigen, dass die Beobachtungen genutzt werden können um ein Dichtemodell des Plasmas entlang der magnetischen Feldlinien zu rekonstruieren. Das invertierte Modell ergibt Dichtewerte die mit der einschlägigen Literatur vergleichbar sind. Desweiteren zeigen wir, dass die Position der Fußpunkte und der Helligkeitsmaxima im Schweif mit dem Reflektionsverhalten von Alfvénwellen an den Dichtegradienten in der Magnetosphäre übereinstimmen. Im zweiten Teil der Arbeit konzentrieren wir uns auf die Frage, wie die AASS erzeugt werden kann. Dazu benutzen wir magnetohydrodynamische Simulationen um verschiedene Mechanismen zu testen, die die Symmetrie im Schweif brechen kann. Um die Struktur des Schweifs aus den Simulation abzuleiten, benutzen wir stellvertretend den Poyntingfluss durch eine Analyseebene nahe Jupiters Oberfläche. Wir untersuchen drei verschiedene Mechanismen, die in Frage kommen alternierende Strukturen zu erzeugen. Als erstes studieren wir die Hallleitfähigkeit in Ios Atmosphäre. Wir können zeigen, dass der Halleffekt einen großen Einfluss auf die Struktur des Poyntingflusses hat. Zusammen mit den nichtlinearen Reflektionen der Alfvénwellen an Jupiters Ionosphäre erzeugt der Halleffekt lateral versetzte Poyntingflussmaxima im Schweif des Fußpunkts. Dies führt zu dem Schluss, dass der Halleffekt ein vielversprechender Kandidat zur Erzeugung der AASS ist. Als zweites untersuchen wir den Einfluss der unterschiedlichen Laufzeiten der Alfvénwellen die von unterschiedlichen Punkten in Ios Atmosphäre starten. Die längere Laufzeiten der Wellen der von Jupiter abgewandten Zeiten führt zu einer Versetzung der polwärts zeigenden Seite des Fußpunktschweifs, die besonders mit großem Abstand zum Fußpunkt merklich wird. Nahe am Fußpunkt ist der Laufzeitunterschied jedoch nicht bedeutsam. Daher schließen wir, dass die Laufzeitunterschiede zwar ein besteuernder Faktor, jedoch nicht der alleinige Grund für die AASS sein kann. Als letztes untersuchen wir den Einfluss der asymmetrischen Atmosphäre von Io. Ios ungleich verteilte Atmosphäre führt zu Asymmetrien im Poyntingfluss. Diese sind jedoch kaum merklich und zu unbedeutend um die beobachteten Strukturen zu erzeugen. Diese Arbeit zeigt, dass die Position der beobachteten Fußpunkte von Io mit reflektierten Alfvénwellen vereinbar sind. Zudem konnten die Fußpunkte benutzt werden, um Rück-schlüsse auf die Plasmadichte in der inneren Magnetosphäre zu ziehen. Die Studie liefert weiterhin ein Erklärungsmodell für die AASS. Dieses Modell beinhaltet den Halleffekt in Ios Atmosphäre kombiniert mit nichtlinearen Reflektionen der Alfvénwellen an Jupiters Ionosphäre. Laufzeitunterschiede könnten den Effekt verstärken. Mithilfe weiterer Beobachtungen der Fußpunkte der Galileischen Monde könnte diese Hypothese bestätigt werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schlegel, Stephan UNSPECIFIED orcid.org/0000-0002-4779-2813 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-700811
Date:	1 June 2023
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Physics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Magnetohydrodynamic Numerical Modelling English Alfvén Wings English Io Footprint English
Date of oral exam:	3 June 2022
Referee:	Name Academic Title Saur, Joachim Prof. Dr. Tezkan, Bülent Prof. Dr. Gassner, Gregor Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/70081