Predictions to the Plasma Environment of Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko

Koenders, Christoph, Wilhelm, Arnold

doi:10.24355/dbbs.084-201505291045-0

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Predictions to the Plasma Environment of Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko

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In summer 2014 the European Rosetta mission arrived at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko and will stay close to the comet during its orbit around the Sun. As the comet approaches the Sun a cometary atmosphere is formed which interacts with the solar wind. The Rosetta Plasma Consortium (RPC) will study this interaction and will perform measurements of various structures and boundaries within this environment. The aim of this thesis is to make predictions about the location of the various plasma structures and boundaries. These predictions are obtained by means of analytical models and numerical simulations, i.e. the A.I.K.E.F. code. In parallel the processes which lead to the plasma interaction and the structures in the cometary plasma environment are analysed. A first study of a weakly active comet far away from the Sun shows that at this activity level the interaction is dominated by the cometary pick-up ion tail. Furthermore, it is found that along this tail a repetitive Mach cone is triggered. In a second study the close vicinity of the comet is analysed. There the cometary pick-up ion tail and the footpoint of a Mach cone is found. In addition, a low frequency wave pattern at the comet is analysed and a first preliminary comparison to the RPC magnetometer data is conducted, in which a similarity to the waves in the hybrid simulations is observed. Close to the perihelion, the cometary activity will reach its maximum and the Mach cone will be transformed into a bow shock. Its position is analysed in a third study. A comparison reveals a major difference between the fluid models and the hybrid model concerning the instantaneous pick-up of the cometary ions. Due to the more realistic description of the pick-up in the hybrid model, the bow shock is much closer to the comet than expected before. In addition, a strong dependency of the bow shock position on the solar wind parameters is found. In the fourth study the innermost coma is analysed. For the first time ever, a global hybrid simulation is able to resolve this region sufficiently to allow for an investigation of the plasma boundaries in that region, i.e. the diamagnetic cavity and the cometary ionopause. A shift of the entire interaction region as well as of all related structures and boundaries therein away from the Sun-comet line is found. In addition, this study predicts the presence of three distinct cometary ion populations at the innermost boundaries.

Im Sommer 2014 ist die Raumsonde Rosetta am Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko angekommen und begleitet ihn seitdem bei seinem Umlauf um die Sonne. Bei der Annäherung an die Sonne wird der Komet ausgasen und eine kometare Atmosphäre ausbilden, die mit dem Sonnenwind wechselwirkt. Das Rosetta Plasma Consortium (RPC) wird diese Wechselwirkung und deren Entwicklung aus nächster Nähe untersuchen und dabei die verschiedenen Strukturen und Grenzschichten vermessen. Erfolgreiche Messungen dieser Strukturen verlangen jedoch eine sorgfältige Vorbereitung. Das Ziel dieser Arbeit ist somit die Vorhersage der Positionen der verschiedenen Strukturen und deren Eigenschaften. Die Vorhersagen wurden mit Hilfe verschiedener Modelle, hauptsächlich aber mit Simulationen mit dem A.I.K.E.F. Programm (Adaptive Ion Kinetic Electron Fluid), erstellt. Die Wechselwirkung eines schwach ausgasenden Kometen und der daraus resultierenden Wechselwirkung wurde in einer ersten Studie untersucht. Es zeigte sich, dass die Wechselwirkung vom kometaren Ionenschweif dominiert wird, entlang dieses Schweifes werden wiederholt Machkegel angeregt. In einer zweiten Studie wurde dann die nähere Umgebung bei dieser schwachen Aktivität erforscht. Dort findet man neben dem Anfang des kometaren Ionenschweifes und des Machkegels auch ein Wellenmuster, welches genau untersucht wird. In einem ersten Vergleich mit den Daten des RPC-Magnetometers zeigen sich ähnliche Wellen. In der Nähe des Perihels wird die Aktivität des Kometen ihr Maximum erreichen und der Machkegel wird in eine Bugstoßwelle übergehen. Dessen Position wurde in einer dritten Studie untersucht. Ein Vergleich zeigte einen deutlichen Unterschied zwischen den Fluidmodellen und dem Hybridmodell im Bezug auf die Beschleunigung der kometaren Ionen. Auf Grund der realistischeren Beschreibung im Hybridmodell ist die Bugstoßwelle deutlich näher am Kometen. Zudem zeigten die Hybridsimulationen, dass die Position der Bugstoßwelle sehr stark von den Sonnenwindbedingungen abhängt. In einer vierten Studie wurde zum ersten Mal eine globale Hybridsimulation vorgestellt, die die innere Region so gut auflösen kann, dass eine Analyse der Plasmagrenzschichten in dieser Region möglich wird. Dabei zeigte sich, dass die komplette Wechelwirkungsregion eine Asymmetrie zur Sonnen-Kometen-Linie aufweist. Zudem wurden in den innersten Grenzschichten drei verschiedene Gruppen an kometaren Ionen identifiziert.