Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Solar wind ions inside the induced magnetosphere of Mars
Luleå University of Technology, Department of Computer Science, Electrical and Space Engineering.
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The subject of the thesis is analysis and modeling of the entry, transport, and atmospheric precipitation of solar wind ions, H+ and He2+, into the induced magnetosphere of Mars. The solar wind is a flow of charged particles emitted by the Sun. The solar wind carries with it a magnetic field, the interplanetary magnetic field (IMF). The IMF piles up on the dayside of the non-magnetized Mars and is then convected towards the nightside. The solar wind ions can normally not cross the magnetic barrier, formed by the pile up IMF. However, in situ observations by the Mars Express spacecraft reveal that downward moving solar wind H+ and He2+ are sometimes present in the Martian ionosphere, below the magnetic barrier. The gyroradii of shocked solar wind ions may be comparable to the size of the dayside Martian magnetic barrier and for certain circumstances, these ions can gyrate through. Observations by Mars Express are used to analyze H+ and He2+ penetrating through the magnetic barrier and precipitating into the Martian ionosphere, identified by the presence of ionospheric photo-electrons. A case study shows evidence of narrower energy distributions for H+ (with energy ≥ solar wind energy), as the spacecraft moves down in altitude. From this, the study concludes that the magnetic barrier prevents the lower energy H+, from reaching low altitudes. The thesis also describes a statistical study of precipitating H+ fluxes, which indicate that H+ precipitation is rare (detected during 3% of the dayside observation time only) and carries on average 0.2% of the upstream solar wind particle flux. In another statistical study, the thesis shows that the precipitation of H+ and He2+ decreases even further when Mars encounters solar wind pressure pulses. A possible explanation is that the enhanced mass loading of the magnetic field flux tubes by planetary heavy ions, while the tubes drag through the ionosphere at lower altitudes, slows down their velocity and allows more magnetic flux to pile up. The magnetic barrier becomes a more effective obstacle to the solar wind ion precipitation. Furthermore, the thesis describes a model of H+ precipitation onto the Martian upper atmosphere using a hybrid code of the Mars solar wind interaction. The spatial patterns of the precipitation depend on the H+ energy, on the H+ origin (solar wind or generated from the hydrogen corona) and on the altitude. Some features of the observed H+ distributions are reproduced by simulations, while others are not, indicating a more complex physics than in the model. The thesis also describes amodel study of transport of H+, fast H atoms and He2+ through the atmosphere using a Direct Simulation Monte Carlo model. This study demonstrates the crucial role of the magnetic field in determining the energy deposition of the solar wind ions in the topside atmosphere. For instance, a horizontal magnetic field with strength of 50 nT backscattered almost all H+, thus preventing these particles to deposit their energy at lower altitudes. The conclusion of the thesis work is that although some solar wind ions do precipitate, the magnetic barrier effectively protects the onospherefrom precipitating solar wind ions.

Abstract [sv]

Ämnet för avhandlingen är analys och modellering av inflödet av solvindsjoner, H+ och He2+, genom Mars inducerade magnetosfär. Solvinden är ett flöde av laddade partiklar från Solen. Solvinden bär med sig ett magnetfält, det så kallade interplanetära magnetfältet (IMF). IMF packas ihop framför dagsidan av planeten innan det tar sig vidare mot nattsidan. Solvindsjoner kan vanligtvis inte passera denna magnetiska barriär som skapas då IMF packas ihop. Dock avslöjar in situ-observationer av rymdsonden Mars Express att nedåtflödande H+ och He2+ från solvinden ibland påträffas inuti Mars jonosfär, nedanför den magnetiska barriären. Gyroradierna hos solvindsjoner i shockregionen kan vara jämförbara med storleken av den magnetiska barriären over Mars dagsida och i vissa fall kan jonerna gyrera igenom barriären. Observationer från Mars Express används för att analysera H+ och He2+ som tar sig igenom den magnetiska barriären och ner i Mars jonosfär, vilken identifieras genom närvaron av jonosfäriska fotoelektroner. En fallstudie visar tecken på smalare energifördelningar av H+ (med energi ≥ solvindens energi), ju lägre rymdsonden tog sig. Från detta slutleder studien att den magnetiska barriären reflekterar H+ med lägre energi och förhindrar dem från att nå lägre altituder. Avhandlingen beskiver även en statistisk studie av inflödande H+, vilken indikerar att inflödet av H+ är sällsynt (observeras enbart under 3% av observationstiden över dagsidan) och bär i genomsnitt med sig 0.2% av partikelflödet som finns uppströms i solvinden. I en annan statistisk studie visar avhandlingen att inflödet av solvindsjonerna H+ och He2+ minskar ytterligare när Mars möter tryckpulser i solvinden. En möjlig förklaring är att den ökade masslastningen av magnetfältets av tunga planetära joner, då magnetfältet släpas genom jonosfären på lägre höjd, bromsar upp magnetfältet och orsakar ytterligare hoppackning av magnetfältet. Det gör den magnetiska barriären till ett mer effektivt hinder för inflödet av solvindsjoner. Vidare beskriver avhandlingen en modell för inflöde av H+ till Mars övre atmosfär genom att använda en hybridkod för Mars växelverkan med solvinden. Mönster i utbredningen av inflödet beror på energin hos H+, på källan till H+ (solvinden eller skapad från vätekoronan), och på altituden. Vissa egenskaper hos H+-fördelningarna återskapas av simuleringar, medan andra inte gör det, vilket tyder på en mer komplicerad fysik än i modellen. Avhandlingen beskriver också en modellstudie av transport av H+ , snabba H atomer, och He2+ genom atmosfären med en Direct Simulation Monte Carlo modell. Denna studie demonstrerar den avgörande roll som magnetfältet har i att bestämma energin som solvindsjoner avlämnar i den övre atmosfären. Till exempel reflekterade ett horisontellt magnetfält på 50 nT nästan allt H+, och förhindrade dessa partiklar från att avlämna sin energi på lägre altituder. Slutsatsen av avhandlingen är att även om vissa solvindsjoner tar sig igenom, så är den magnetiska barriären ett effektivt skydd av jonosfären mot infallande solvindsjoner.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2012.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
Keyword [en]
Natural sciences - Physics
Keyword [sv]
Naturvetenskap - Fysik
National Category
Aerospace Engineering
Research subject
Space Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-17120Local ID: 1bba5029-fee7-424f-936c-ee52e6321836ISBN: 978-91-7439-525-9 (print)OAI: oai:DiVA.org:ltu-17120DiVA: diva2:990117
Note
Godkänd; 2012; 20121009 (catdiv); DISPUTATION Ämne: Rymdteknik/Space Technology Opponent: PhD Christian Mazelle, Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, Toulouse, France Ordförande: Professor Stas Barabash, Svenska institutet för rymdfysik, Kiruna Tid: Fredag den 14 december 2012, kl 10.00 Plats: Aula, Svenska institutet för rymdfysik, KirunaAvailable from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29 Last updated: 2017-11-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(10120 kB)261 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 10120 kBChecksum SHA-512
5a37a3131bdf0d2d9f1e06605344cffae296f3010005d407857f47432fccdf168d774c34eefe5a6869d0096b650674664f623cbde46b447f23f2f5110f135451
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Dieval, Catherine
By organisation
Department of Computer Science, Electrical and Space Engineering
Aerospace Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 261 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 478 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf