Velocity distribution functions of heavy ions in the solar wind at 1 AU

Berger, Lars

From the study of the velocity distributions of solar wind ions we can draw conclusions about the formation and the development of the solar wind. Thus, it is possible to study the physical processes in the solar corona and the inner heliosphere by in situ measurements. Because their low abundance complicates their measurements heavy solar wind ions have been long neglected. Up to now observations of their velocity distributions have been solely 1D. In this thesis the 3D velocity distributions of heavy solar wind ions have been investigated. For our studies we have used data from the Solar Wind Ion Composition Spectrometer on-board the Advanced Composition Explorer. A new improved analysis technique has been developed. The new technique is adapted to analyse small count rates and thus, allows the use of high time resolutions. Based on the known 3D velocity distributions of protons and alpha particles a model for the 3D distributions of heavy ions has been developed. Furthermore, a virtual detector was implemented, that allows a comparison of the 1D observations and the 3D model. From our investigations we found that the model is capable to explain non-thermal features of the observations. In addition the influence of wave-particle interaction on the observed ion temperatures have been analysed.

Das Studium der Geschwindigkeitsverteilungen von Sonnenwind Ionen erlaubt es auf die Entstehung und Entwicklung des Sonnenwindes zurück zu schließen. Es ist somit möglich durch in situ Beobachtungen die physikalischen Prozesse in der solaren Korona und der inneren Heliosphäre zu studieren. Die schweren Ionen im Sonnenwind die aufgrund ihrer geringen Häufigkeiten schwer zu Messen sind wurden hierbei lange Zeit vernachlässigt. Bislang gibt es nur eindimensionale Beobachtungen von ihren Geschwindigkeitsverteilungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die dreidimensionalen Geschwindigkeitsverteilungen von schweren Ionen im Sonnenwind untersucht. Die Untersuchungen wurden mit Daten vom Solar Wind Ion Composition Spectrometer auf dem Advanced Composition Explorer durchgeführt. Ein neues verbessertes Verfahren zur Datenanalyse wurde entwickelt. Das Verfahren ist besonders geeignet für die Analyse kleiner Zählraten und erlaubt es somit hohe Zeitauflösungen zu verwenden. Anhand der bekannten dreidimensionalen Geschwindikeitsverteilungen von Protonen und Alphateilchen wurde ein Modell für die dreidimensionalen Verteilungen von schweren Ionen entwickelt. Zudem wurde ein virtueller Detektor implementiert der es erlaubt die 1D Beobachtungen mit dem 3D Modell zu vergleichen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, daß mit Hilfe des Modells Eigenschaften der Verteilungen die mit der Annahme einer thermischen Verteilung im Widerspruch stehen reproduziert werden können. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Welle-Teilchen Wechselwirkung auf die beobachteten Temperaturen der Ionen untersucht.

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Berger, Lars: Velocity distribution functions of heavy ions in the solar wind at 1 AU. 2008.

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