Energetic ion composition and acceleration mechanisms in the magnetosphere of Jupiter
Based on the first 15 orbits of the Galileo spacecraft the composition of the energetic ion population of the Jovian magnetosphere has been studied for the first time on a global scale. More specific, three different types of ions are investigated: helium as the tracer of the solar wind, sulfur and oxygen to a large extent as tracers of the internal source Io and protons with a mixed origin from the solar wind, Jovian atmosphere/ionosphere and the Europa gas torus. The ion energy spectrum fundamental for the study of the ion composition is investigated and a characteristic shape is established as a distinct feature of the Jovian magnetosphere. Based on the observed ion energy spectra the relative ion abundance ratios of S/O, S/He, O/He and p/He at a specific energy/nucleon are derived and global maps are constructed. The global coverage of the Galileo trajectories enables a quantitative comparison with results of previous flyby missions for the same radial distance and local time. The large discrepancies derived from the comparison with the Voyager 2 results are attributed to temporal variations and to a strong energy dependence of the ion abundance ratios associated with the energy spectral shapes. The ion energy spectra are further discussed in terms of ion stochastic acceleration by Alfvén waves. Temporal variations of the ion abundance ratios not only on time scales of several years but also of several weeks, only implied by previous missions are now established. They are attributed to the different ion sources but also to time-varying acceleration processes. A comparative study of the ion composition for different local time sectors is for first the time investigated. It is shown that pronounced composition changes along the predawn sector are associated with reconfiguration processes that occur in the magnetotail. The composition in this region is studied in terms of two acceleration mechanisms: nonadiabatic ion interaction with the current sheet where ions are accelerated by the timestationary dusk to dawn convection electric field and ion acceleration due to small-scale variations of the south-north component of the magnetic field during the reconfiguration events, where particles are accelerated by the induced electric field. It is concluded that the latter one is responsible for the observed ion composition.
Auf den ersten 15 Umlaufbahnen des Raumfahrzeugs Galileo basierend, ist die Zusammensetzung des Bestandes an energiegeladenen Ionen in der Jupitermagnetosphäre zum ersten Mal in einer umfassenden Grössenordnung studiert worden. Drei unterschiedliche Arten von Ionen werden untersucht: Helium als der Indikator des Solarwinds; Schwefel und Sauerstoff in hohem Mae als Indikatoren der internen Quelle Io; und Protonen, die ihren Ursprung teilweise im Solarwind, in der Jupiteratmosphäre/-ionosphere und im Gastorus des Mondes Europa haben. Das für die Untersuchung des Ionenzusammensetzung grundlegende Ionenenergiespektrum wird erforscht und eine charakteristische Form wird als bestimmende Eigenschaft der Jupitermagnetosph äre ausgemacht. Basierend auf den beobachteten Ionenenergiespektren werden die relativen Verhältnisse der Ionenhäufigkeit von S/O, S/He, O/He und p/He für ein spezifisches Verhältnis Energie/Nukleon bestimmt und globale Karten erstellt. Die globale Abdeckung der Galileo-Flugbahnen ermöglicht einen quantitativen Vergleich mit Resultaten früherer Flyby Missionen für den gleichen Radialabstand und die gleiche Lokalzeit. Die grossen Umstimmigkeiten im Vergleich mit den Resultaten von Voyager 2 werden zeitlichen Veränderungen und einer starken Energieabhängigkeit der Verhältnisse der Ionenhäufigkeit, die mit den spektralen Formen der Energie verbunden sind, zugeschrieben. Die Ionenenergiespektren werden darüber hinaus in Hinblick auf stochastischer Ionenbeschleunigung durch Alfvén-Wellen untersucht. Zeitliche Veränderungen der Verhältnisse der Ionenhäufigkeit nicht nur auf Zeitskalen einiger Jahre, aber auch einiger Wochen, die durch vorhergehende Missionen nur angedeutet wurden, werden jetzt bestätigt. Sie werden den unterschiedlichen Ionenquellen aber auch zeitabhängig variierenden Beschleunigungsprozessen zugeschrieben. Eine Vergleichsstudie des Ionenaufbaus für unterschiedliche Lokalzeit Sektoren wird erstmalig untersucht. Es wird gezeigt, dass ausgeprägte Veränderungen in der Zusammensetzung entlang des predawn (01:30-04:30 Lokalzeit) Sektors mit Neukonfigurationsprozessen, verbunden sind, die im Magnetschweif auftreten. Die Zusammensetzung dieser Region wird in Hinblick auf zwei Beschleunigungsmechanismen untersucht: nicht-adiabatische Ionenwechselwirkungen mit der Stromschicht, in der Ionen durch das zeitlich stationäre dusk-dawn (Abend-Morgen) Konvektion elektrische Feld beschleunigt werden, und Ionenbeschleunigung aufgrund von kleinen Veränderungen der Süd-Nord Komponente des magnetischen Feldes während des Rekonfigurationsprozesses, in dem Partikel durch das induzierte elektrische Feld beschleunigt werden. Es wird geschlussfolgert, dass das letztere verantwortlich ist für den beobachteten Ionenzusammensetzung.
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