Modeling of Mercury's Magnetosphere Under Different Solar Wind Conditions
Mercury is the closest planet to the Sun and also the smallest planet inside the solar system.
Ground-based and spacecraft observations of Mariner 10 and MESSENGER investigated Mercury's unique plasma environment.
Similar to Earth, Mercury possesses a dipole magnetic field, which is deformed into a tiny, Earth-like magnetosphere due to the interaction with the impinging solar wind plasma.
Two important current systems inside the magnetosphere of Earth are the "Region 1" and "Region 2" currents, as they ensure conservation of energy and momentum within the magnetosphere. However, "Region 2" currents have yet to be observed in the Hermean magnetosphere.
Consequently, one of the unanswered questions about Mercury's magnetosphere is how the current system is closed.
The impinging solar wind varies on short time scales resulting in a constant reconfiguration of Mercury's magnetosphere.
In particular, when large dynamic pressure are present, due to coronal mass ejections (ICMEs), the magnetosphere is pushed onto the planetary surface which will be under direct bombardment of the solar wind particles.
The moon-like surface is embedded with a thin sodium exosphere, which is generated from particle-surface and radiation-surface processes and meteroid impacts.
The subsequent photoionization generates sodium ions which are able to fill the whole magnetosphere, leading to a downstream sodium tail.
Direct observations of sodium ions densities imply an negligible effect on the global magnetosphere.
However, new models and indirect derivations show how sodium ion densities might reach larger values by multiple orders of magnitude.
This thesis is aimed to investigate these peculiarities with the numerical hybrid code AIKEF.
The large gyroradii of the ions in the magnetosphere make the application of a hybrid model necessary and some of the open questions about Mercury's environment can be investigated.
How Mercury's magnetosphere reacts to ICME interaction will be analyzed.
A large effort will be given to investigate the closure of the magnetospheric current system under extreme conditions.
Furthermore, a realistic model of a significant sodium exosphere will be examined, resulting in a significant increase of the magnetospheric volume.
In consequence, the resulting conductivity above the planetary surface enables "Region 2" type currents to arise, which are located beneath the trajectories of the previous spacecrafts.
In contrast, these currents will be observable by the new BepiColombo mission.
Merkur ist der sonnennächste und kleinste Planet des Sonnensystems.
Ausgehend von Teleskop-Beobachtungen von der Erde und Messungen durch die Raumsonden Mariner 10 und MESSENGER zeichnen sich Merkur und seine Plasmaumgebung als einzigartig im Sonnensystem aus.
Ähnlich der Erde besitzt Merkur ein eigenes Magnetfeld, welches durch die Wechselwirkung mit dem von der Sonne kommenden Partikelstrom, dem Sonnenwind, in eine erdähnliche, aber winzige Magnetosphäre gepresst wird.
Dies wirft unter Anderem einige Fragen bezüglich des Zusammenschlusses der Stromsysteme innerhalb der Magnetosphäre auf.
Innerhalb der Erdmagnetosphäre sind die "Region 1" und "Region 2" Ströme essentiell, um Energie- und Impulserhaltung zu gewährleisten.
Jedoch wurden "Region 2" Ströme in Merkurs Magnetosphäre noch nicht beobachtet.
Aufgrund des sehr variablen Sonnenwindes steht die Magnetosphäre unter steter Rekonfiguration, insbesondere wenn interplanetare koronale Massenejektionen (ICMEs) mit ihrem immensen Druck auf den Merkur einwirken.
In einem solchen Fall kann die Magnetosphäre bis auf die Planetenoberfläche herangedrückt werden, wobei der Sonnenwind direkt mit der Oberfläche interagieren kann.
Die mondähnliche Oberfläche ist von einer sehr dünnen Natrium-Exosphäre umgeben, die durch Sonnenwindeinwirkung, Sonneneinstrahlung und Meteroiteneinschlägen generiert wird.
Durch nachfolgende Photoionisation können die Natrium-Ionen die gesamte Magnetosphäre befüllen, wodurch Merkur einen Natrium-Schweif bildet.
Direkte Messungen durch die Raumsonden zeigten, dass die Natriumionen vermeintlich so kleine Dichten erreichen, dass sie keinen nennenswerten Einfluss auf die Magnetosphäre nehmen.
Jedoch werden mit aktuellen Modellen der Natrium-Ionen-Dichten Werte er-reicht, die um ein Vielfaches größer sein können und dadurch die Magnetosphäre signifikant beeinflussen.
Diese Dissertation handelt von der numerischen Untersuchung von Merkurs Magnetosphären-Exosphären-System und seiner Interaktion mit dem einwirkenden Sonnenwind mittels des Hybridcodes AIKEF.
Aufgrund der großen Gyroradien der verschiedenen Plasma-Spezies ist ein solcher Hybrid-Ansatz erforderlich.
Mittels AIKEF lassen sich einige offene Fragen bezüglich der Merkur-Umgebung beantworten.
So wird gezeigt, wie stark sich die Merkur-Magnetosphäre durch das Auftreffen einer CME im Vergleich zu den normalen Sonnenwindbedingungen ändert.
Insbesondere wird ein Großteil der Arbeit auf das "Schließungsproblem" der magnetosphärischen Ströme gerichtet.
Es wird gezeigt, dass eine signifikante Natrium-Exosphäre das Volumen der Magnetosphäre stark vergrößert und eine hohe Leitfähigkeit bereitstellt, die das globale Stromsystem neu konfiguriert.
Als direkte Folge entstehen "Region 2" Ströme, jedoch in Höhen unterhalb jeder Trajektorie der bisherigen Raumsonden, was die fehlende Beobachtung erklären könnte.
Die Trajektorien der zukünftgen BepiColombo Mission erweisen sich aber als tief genug, diese Ströme beobachten zu können.
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