Hybrid simulation of weak comets
In 2004 ESA successfully launched the ROSETTA spacecraft, which is designated to investigate the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. One of ROSETTAs main goals is to study the cometary plasma environment, which is formed by the interaction of the cometary plasma with the solar wind. Since 67P/Churyumov-Gerasimenko is a weak comet (i.e. its gas production is comparably small), it is expected that its plasma environment will differ qualitatively from what is known from earlier in-situ measurements, e.g. at Halley. The aim of this work is to investigate these differences and their underlying mechanisms, which is important both for the mission preparation as well as the interpretation of upcoming data. The comet-solar wind interaction is modeled using a newly developed numerical hybrid code. The hybrid approximation treats the plasma protons as particles, whereas the electrons are modeled as a massless fluid. The code uses curvilinear coordinates in up to three spatial dimensions, which is an important capability when dealing with the wide range of the involved spatial scales. The first part of the work describes the algorithm of this hybrid code. In the second part, numerous quantitative results regarding the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko at different heliocentric distanced are presented. Fully three-dimensional electromagnetic field configurations, plasma parameters, and particle energy distributions are shown. As expected, the results show a completely different picture than obtained before from stronger comets. The main characteristics are: (i) a cycloidal plasma tail instead of a straight anti-sunward one, (ii) a set of multiple Mach cones instead of a bow shock, (iii) the absence of a diamagnetic cavity, (iv) a clearly developed Ion Composition Boundary. The dependency of these characteristics on the heliocentric distance as well as the underlying kinetic processes are discussed in detail.
2004 startete die ESA erfolgreich die ROSETTA-Raumsonde, deren Aufgabe die Untersuchung des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko sein wird. Eines der Hauptziele ist dabei die Untersuchung der kometaren Plasmaumgebung, die sich aus der Wechselwirkung der ionisierten Koma mit dem Sonnenwind ergibt. Da 67P/Churyumov-Gerasimenko ein schwacher Komet (d.h. mit vergleichsweise geringer Gasproduktion) ist, kann man ein qualitativ anderes Bild erwarten, als man es von früheren in-situ Beobachtungen, z.B. bei Halley, her kennt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, diese Unterschiede und die ihnen zugrundeliegenden Mechanismen zu untersuchen, was sowohl für die Missionsvorbereitungen als auch die Interpretation der zukünftigen Messergebnisse bedeutsam ist. Die Wechselwirkung des Kometen mit dem Sonnenwind wird mit einem eigens dafür entwickelten Hybrid-Code numerisch untersucht. In der Hybrid-Näherung werden die Protonen als Teilchen behandelt, während die Elektronen durch eine masselose Flüssigkeit modelliert werden. Der Code verwendet krummlinige Koordinaten in bis zu drei Raumdimensionen, um die sehr unterschiedlichen räumlichen Skalen auflösen zu können. Im ersten Teil der Arbeit wird der zugrundeliegende Algorithmus beschrieben. Im zweiten Teil werden zahlreiche, quantitative Simulationsergebnise für den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko diskutiert. Die dreidimensionale Struktur des elektromagnetischen Feldes, der Plasmaparameter, sowie die Energieverteilung der Plasmateilchen werden gezeigt. Wie erwartet, zeigen diese Ergebnisse ein komplett anderes Bild, als man es von stärkeren Kometen her bereits kennt. Die wesentlichen Charakteristika sind: (i) ein zykloidaler Plasmaschweif statt des geraden, sonnenabwärts gerichteten, (ii) mehrere Machkegel anstatt einer Bugstoßwelle, (iii) das Fehlen einer diamagnetischen Kavität, (iv) einen deutlichen Sprung in der Ionenzusammensetzung. Das Verhalten dieser Merkmale bei verschiedenen heliozentrischen Abständen und ihre zugrundeliegenden kinetischen Prozesse werden ausführlich diskutiert.
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