Turbulente invloed van interplanetaire plasmawolken op planetaire plasma-omgevingen

2023-2024
De Venus Express- en Cluster-ruimtesondes onderzochten in situ de plasma-omgeving van Venus en Aarde; de data-analyse onthult hoe een plasmawolk, uitgebarsten op de zon op 14/01/2009:

(1) verhoogde magnetische fluctuaties in de buitenste plasmalagen van Venus en
(2) sterke elektromagnetische golven in de magnetoschede van de aarde veroorzaakte.

In een ander onderzoek heeft de Maven-ruimtesonde in een baan rond Mars aangetoond dat een plasmawolk die op 5 maart 2018 uitbarstte een turbulente magnetische ruis veroorzaakte in de elektromagnetische omgeving op Mars. Dergelijke turbulente effecten kunnen een bedreiging vormen voor technologieën aan boord van planetaire ruimtesondes.

Het PLATINUM-project

Het BRAIN-BE2 PLATINUM-project (2022-2025), gefinancierd door BELSPO, vormt het kader voor een vruchtbare wetenschappelijke samenwerking tussen het BIRA, de Koninklijke Sterrenwacht van België en de Katholieke Universiteit van Leuven.

In dit project onderzoeken we de interplanetaire voortplanting van plasmawolken en focussen we in het bijzonder op hun turbulente impact op de plasmaomgeving op Venus, de aarde en Mars. We gebruiken gegevens verzameld door ESA's Venus Express- en Cluster-satellieten (respectievelijk op Venus en de aarde) en NASA's Maven –ruimtesonde (op Mars) om belangrijke descriptoren van de zonnewind en planetaire magnetische turbulentie te extraheren.

De drie planeten waarop we ons richten zijn prototypisch voor verschillende soorten planeetinteracties met de zonnewind:

  • Venus heeft een dichte atmosfeer maar geen intern magnetisch veld,
  • De aarde heeft een dichte atmosfeer en een sterk intern magnetisch veld dat leidt tot een goed ontwikkelde magnetosfeer,
  • Mars heeft een ijle atmosfeer en enkele overblijfselen van een intern magnetisch veld.

Daarom maakt een vergelijking van de respons van de drie planeten die worden blootgesteld aan plasmawolken het mogelijk om plasma-interacties in het zonnestelsel beter te begrijpen.

Uit een overzicht van gegevens die zijn verzameld tussen 2007 en 2022 hebben we een reeks kandidaat-casusstudies geïdentificeerd en ons gericht op :

  1. een plasmawolk die op 14 januari 2009 insloeg op Venus en de aarde, en
  2. twee plasmawolken die op dezelfde dag, 5 maart 2018, uitbarstten en gelijktijdig de aarde en Mars troffen.

Eenzelfde interplanetaire plasmawolk die turbulente effecten veroorzaakt op twee planeten, eerst op Venus, later op aarde

Venus Express en Cluster onderzochten in-situ de magnetoschede van respectievelijk Venus en de aarde en observeerden turbulente effecten gelinkt aan de impact van de plasmawolk die op 14 januari 2009 uitbarstte vanaf de zon.

Een parameter die we in het bijzonder onderzochten is de schaal/frequentieverdeling van de turbulente magnetische energie en we merkten op dat bepaalde kenmerken die we in de interplanetaire plasmawolk zelf hebben waargenomen (bv. een eigenaardige powerlaw-schaling in het Fourier-spectrum van magnetische fluctuaties) gedeeltelijk worden doorgegeven en gerepliceerd door de magnetoschede van de twee planeten.

spectral structure of magnetic turbulence in the ICME
Power Spectrum Density (PSD) of solar wind magnetic field at Venus inside ICME flux rope.
Spectral structure of magnetic turbulence in the ICME itself
PSD of solar wind magnetic field at Earth inside ICME flux rope.

Ook lijkt een bijzonder morfologisch kenmerk van de plasmawolk, de “flux rope” (of magnetische wolk), het kerngebied van de interplanetaire plasmawolk met een sterker magnetisch veld, efficiënter in te werken op de twee planetaire plasmasystemen. Terwijl onregelmatigheid en niet-ontwikkelde turbulentie de norm lijken te zijn in de magnetosfeer van Venus, voor en na de plasmawolk-inslag, vinden we ook dat de komst van de plasmawolk een toename van elektromagnetische golfactiviteit (in het ion-cyclotron-bereik) in de magnetosfeer van de aarde teweegbrengt.

Twee plasmawolken barsten op dezelfde dag uit en treffen bijna gelijktijdig de aarde en Mars om turbulente effecten te veroorzaken

Cluster- en MAVEN-in-situ-waarnemingen hebben ons geholpen om de structuur van de door de plasmawolk veroorzaakte turbulentie op aarde en Mars verder te onderzoeken.

PSD of Venus magnetosheath magnetic field
PSD of Venus magnetosheath magnetic field during the interaction with ICME flux rope structure.
PSD of Earth magnetosheath magnetic field
PSD of Earth magnetosheath magnetic field during the interaction with ICME flux rope structure

We richtten ons op de statistische eigenschappen van magnetische fluctuaties en ontdekten dat de interplanetaire plasmawolk zelf wordt gekenmerkt door intermittentie, d.w.z. tijdsintervallen van magnetische rust worden gevolgd door uitbarstingen van activiteit en hoge fluctuatieniveaus. Hetzelfde gedrag wordt gevonden in de magnetoschede van de aarde en Mars, met hogere niveaus van magnetische uitbarstingen op de aarde vergeleken met Mars.

Referenties

  • Echim, M.; Munteanu, C.; Voitcu, G.; Teodorescu, E. Solar Wind Turbulence and Complexity Probed with Rank-Ordered Multifractal Analysis (ROMA). Entropy, 26, 929, 2024. https://doi.org/10.3390/e26110929
     
  • Munteanu, C., Kovacs, P., Echim, M,  “An Integrated Nonlinear Analysis (INA) Software for Space Plasma Turbulence”, Earth and Space Science, 10, e2022EA002692, 2023, https://doi.org/10.1029/2022EA002692

 

Magnetometer Cluster-ruimtesonde
Artistieke weergave van de magnetometer aan boord van de Cluster-ruimtesonde die ter plaatse gegevens verzamelde over de magnetische turbulentie die op aarde werd veroorzaakt door de plasmawolk, waargenomen door STEREO-A. Credit: ESA.
Uitbarsting plasmawolk 14 Januari 2009
STEREO-A Extreme Ultra Violet-gegevens toonde de uitbarsting van de plasmawolk op 14 januari 2009. Credit: STEREO SECCHI EUVI 171 data, door de Koninklijke Sterrenwacht van België en JHelioviewer.
Vergelijking spectrale structuur van magnetische turbulentie
Zie afbeelding in de tekst voor de vergelijking tussen de spectrale structuur van magnetische turbulentie in de interplanetaire plasmawolk zelf en de twee planetaire magnetoschedes (Venus - Aarde).