Universität zu Köln

Salveter, Annika Pia ORCID: 0000-0003-1030-8431 (2024). Statistical Classification of Jupiter’s Aurora - A joint analysis of complementary Juno observations. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Jupiter’s aurora is the most powerful in our solar system and challenges our understanding due to its variable shape and intensities. The Jupiter magnetosphere, influenced by rapid rotation, a strong magnetic field, and Io’s mass load, was studied extensively by the Juno mission, which arrived in 2016. Juno’s observations of the auroral region, especially its low-altitude polar crossings, revealed diverse phenomena, questioning existing knowledge. The hypothesis that powerful wave-particle interactions cause auroral acceleration is gaining increasing attention while raising questions about the initial assumption that static electron potentials are responsible for intense emission. Measurements supporting this hypothesis are rarely seen, making it difficult to compare them with the auroral features we observe on Earth. This study aims to explore acceleration theories driving Jupiter’s auroras by calculating electron distribution occurrence rates and studying their connection with magnetic field changes and ultraviolet emissions, which is essential for understanding the auroras. Therefore, we combine data from 20 flybys, offering a global perspective by statistically comparing the perijoves observations, rather than focusing on individual local observations. The approach of this is to connect associated various instrument data, combining magnetic fields, electron intensities, and UV emissions, to better understand the electron acceleration mechanisms and processes that generate the intense auroral features. This study found a link between the intense auroras on Jupiter and broadband broad electron energy distributions and azimuthal magnetic field deviations of several 100 nT, indicating field-aligned currents. Thus, stochastic processes might predominantly accelerate intense electron beams, occasionally involving electrostatic structures. Upward and downward beams aligned with the associated currents and bidirectional distributions in downward current regions are observed. Bidirectional electron distributions in downward current regions contradict electrostatic currents, providing adequate intensities for intense auroras. The electron beams display broadband energy distributions through energies from 30-1000 keV, contributing to 93% of auroral emissions, highlighting the importance of stochastic processes. Significant magnetic field fluctuations of 100 nT were observed when the diffuse aurora was present at lower magnetic latitudes (< 76°). Despite magnetometer limitations at low altitudes, observations at up to 8 RJ revealed minor magnetic field fluctuations of a few nT occurring in one-second intervals during main emission crossings. Thus, minor magnetic field changes on periods shorter than a few seconds may indicate the acceleration of auroral electrons due to the interactions with related waves. Examining various plasma characteristics revealed that electrostatic current and wave-particle interaction contribute significantly to intense auroral arcs on Jupiter. Wave-particle interactions are especially prominent. The coexistence of these accelerations underscores Jupiter’s magnetospheric variability. Enhancing this analysis in spatial and temporal coverage by the Juno data and using the full range of Juno instruments would be valuable. Comparing plasma properties on a global scale is beneficial in uncovering the complex interaction of the various acceleration mechanisms to understand the most dazzling auroral phenomena observed in the solar system, the Jovian aurora.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Statistische Klassifikation von Jupiters Aurora – Eine kombinierte Analyse komplementärer Juno-Beobachtungen German
Translated abstract:	Abstract Language Die Aurora des Jupiters ist die stärkste in unserem Sonnensystem und stellt unser Verständnis aufgrund ihrer variablen Strukturen und Intensitäten infrage. Jupiter’s Magnetosphäre ist hauptsächlich dominiert durch seine schnelle Rotation, ein starkes intrinsisches Magnetfeld und den Massenauswurf von Io. Die Magnetosphäre konnte bereits durch mehrere Raumsonden untersucht werden, darunter die Juno-Mission, welche Jupiter im Jahre 2016 erreichte. Junos Beobachtungen der polaren Aurora, insbesondere ihrer Polarüberquerungen in niedrigen Breitengraden, enthüllten vielfältige Phänomene und hinterfragten vorhandenes Wissen. Die Hypothese, dass starke Wechselwirkungen zwischen Wellen und Teilchen die Beschleunigung der Aurora verursachen, gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit und stellt die anfängliche Annahme infrage, dass statische Elektronenpotenziale für intensive Emissionen verantwortlich sind. Beobachtungen, die diese Hypothese unterstützen, werden selten beobachtet und lassen sich daher nur bedingt mit den Polarlichtern der Erde vergleichen. Diese Studie zielt darauf ab, die Theorien zur Erzeugung der JupiterAurora zu erforschen, indem das Auftreten von verschiedenen Elektronenverteilungen bestimmt und die Verbindung zu Abweichungen des Magnetfeldes und ultravioletten Emissionen untersucht wird. Daher kombinieren wir Daten von den ersten 20 polaren Vorbeiflügen und bieten eine globale Übersicht, indem wir die Vorbeiflüge statistisch vergleichen, anstatt uns auf einzelne lokale Beobachtungen zu konzentrieren. Unser Ansatz vereint verschiedene Instrumentendaten, darunter Magnetfelder, Elektronenintensitäten und UV-Emissionen, um eine Vielzahl verschiedener physikalischer Parameter zu beobachten und den Prozess von der Beschleunigung von Elektronen über elektromagnetische Beschleunigung bis zur Anregung von atmosphärischen Atomen durch die verursachenden Elektronen nachzuverfolgen. Diese Studie hat eine Verbindung zwischen den intensiven Polarlichtern auf Jupiter und breitbandigen Elektronenenergieverteilungen sowie azimutalen magnetischen Feldabweichungen von mehreren 100 nT gefunden, die auf feldausgerichtete Ströme hinweisen. Somit könnten vorwiegend stochastische Prozesse intensive Elektronenstrahlen beschleunigen, gelegentlich unter Beteiligung elektrostatischer Strukturen. Aufwärts und abwärts gerichtete Strahlen, die mit den zugehörigen Strömen ausgerichtet sind, sowie bidirektionale Verteilungen in abwärts gerichteten Stromgebieten werden beobachtet. Bidirektionale Elektronenverteilung in Regionen mit abwärts gerichteten Strömen liefern ausreichende Intensitäten für intensive Aurora und widersprechen dem Bild von elektrostatischen Strömen. Die Elektronenstrahlen zeigen breitbandige Energieverteilungen im Bereich von 30−1000 keV und tragen zu 93% der polaren Emissionen bei, was die Bedeutung von stochastischen Prozessen hervorhebt. Signifikante Magnetfeldschwankungen von 100nT wurden beobachtet, wenn das diffuse Polarlicht in niedrigeren magnetischen Breitengraden (<76°) vorhanden war. Trotz Einschränkungen der Auflösung von Magnetfelddaten auf kleinen Skalen bei niedrigen Höhen zeigten Beobachtungen in Höhen von bis zu 8 RJ geringfügige Magnetfeldschwankungen von wenigen nT, die in Ein-Sekunden-Intervallen während der Hauptemissionsüberquerungen auftraten. Daher könnten geringfügige Magnetfeldveränderungen in Zeiträumen von weniger als wenigen Sekunden auf die Beschleunigung Aurora-Elektronen durch Wechselwirkungen mit entsprechenden Wellen hinweisen. Die Untersuchung verschiedener Plasmaparameter zeigte, dass elektrostatische Ströme und Wechselwirkungen zwischen Wellen und Teilchen erheblich zu intensiven Polarlichtern auf Jupiter beitragen. Wechselwirkungen zwischen Wellen und Teilchen sind hierbei besonders relevant. Die räumliche Nähe der Beschleunigungen unterstreicht die Variabilität der Jupiter-Magnetosphäre. Eine Erweiterung dieser Analyse durch erweiterte räumliche und zeitliche Abdeckung der Juno-Daten sowie die Nutzung des gesamten Instrumentenspektrums von Juno wäre sehr wertvoll. Der Vergleich der Plasmaeigenschaften auf globalen Skalen wäre sehr hilfreich, um die komplexen Wechselwirkungen der verschiedenen Beschleunigungsmechanismen zu verstehen und die faszinierendsten Polarlichtphänomene von Jupiter zu verstehen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Salveter, Annika Pia UNSPECIFIED orcid.org/0000-0003-1030-8431 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-740962
Date:	28 October 2024
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:	Physics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Jupiter's Aurora UNSPECIFIED Statistical Classification UNSPECIFIED Particle and Magnetic Field Measurements UNSPECIFIED Juno Mission UNSPECIFIED
Date of oral exam:	19 January 2024
Referee:	Name Academic Title Saur, Joachim Prof. Dr. Tezkan, Bülent Prof. Dr. Crewell, Susanne Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/74096