Reduzierte Modellbildung für die dynamische Inversion von Magnetfeldmessungen an Planeten

Die Wechselwirkung eines planetaren Magnetfeldes mit dem Sonnenwind ruft elektrische Ströme hervor, die die Magnetfeldverteilung am Planeten beeinflussen. In dieser Arbeit werden Methoden vorgestellt, mit denen der planetare Anteil des Magnetfeldes mit Raumfahrzeugdaten aus der Planetenumgebung bestimmt und die Prozesse der Interaktion analysiert werden können. So lässt sich mit der kommenden BepiColombo-Mission das intrinsisch erzeugte Magnetfeld von Merkur schätzen. Zunächst wird die Wechselwirkung über einen magnetohydrodynamischen (MHD) Simulationscode berechnet, wobei das Magnetfeld des Planeten über Parameter in das Modell eingeht. Eine Schätzung dieser Parameter erfolgt durch Minimierung der Abweichungen zwischen den Modelllösungen und Raumfahrzeugmessungen. Für die effiziente Berechnung vieler Parameter wird die Anwendung eines adjungierten Modells untersucht. Eine Bestimmung des Erdmagnetfeldes mit THEMIS-Daten aus der Magnetosheath validiert das Schätzverfahren im Rahmen statistischer und systematischer Fehler. Über eine Reihenentwicklungsmethode werden reduzierte MHD-Modelle hergeleitet, um mit einem geschätzten planetaren Magnetfeld die Wechselwirkungsprozesse zu analysieren. Die Modelle beschreiben die wichtigsten Prozesse in der Magnetosheath, wie ein Anstauen des Sonnenwindmagnetfeldes, magnetische Diffusion und Rekonnexion. Mit den Ergebnissen lässt sich der magnetische Diffusionsparameter des Plasmas schätzen. Weiterhin wird der Einfluss einer Inhomogenität in der Leitfähigkeitsverteilung auf die Bedingungen für Stoßwellen und die damit zusammenhängende Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen betrachtet. Die Ergebnisse der reduzierten Modelle zeigen, dass der Simulationscode einen zu großen numerischen Diffusionsparameter benötigt, welcher die Schätzung des planetaren Magnetfeldes systematisch verfälscht. Mit einem reduzierten Modell lässt sich aus Daten nahe der Stagnationslinie eine verbesserte Schätzung durchführen. Um den statistischen Fehler zu minimieren, kann mit den reduzierten Modellen eine zeitaufwendige simultane Schätzung von planetaren Magnetfeld- und Sonnenwindparametern durchgeführt werden, wenn sich zwei Raumfahrzeuge innerhalb der Wechselwirkungsregion befinden. Weiterhin lässt sich durch eine Projektionsabbildung die Gültigkeit der reduzierten Modelle von der Stagnationslinie auf das Gebiet der MHD-Simulation erweitern.