Elemental and charge-state composition inside magnetic clouds determined with ACE/SWICS

Rodde, Roland

Coronal Mass Ejections (CMEs) are violent releases of large plasma clouds at the sun. Up to now the mechanisms leading to the initiation of these ejections are not known. The interplanetary counterparts of CMEs are called ICMEs (Interplanetary CMEs). Approximately one third of all ICMEs detected in-situ at one AU distance from the sun show smooth rotation of the magnetic field vector (often accompanied by an enhanced magnetic field strength). These structures are called Magnetic Clouds (MCs). Their well ordered magnetic field makes them accessible to magnetic field modelling. Assuming a specific field topology and fitting models to the observed magnetic field data allows reconstruction of a spacecraft trajectory inside a MC. First we identified 67 MCs passing ACE (Advanced Composition Explorer) from 2001 to 2007 by looking for MC specific plasma and magnetic field signatures. In a second step the magnetic field data was fitted with three different models. These models cover different field types (force-free and non force-free) and different geometries (circular and elliptic cross sections). As a first result we make a comparison between the fit results of the three models. Differences in elemental and charge state composition between MCs and ambient solar wind are well known (e. g. enhanced iron charge states, enhanced O7+ to O6+ ratios, and enhanced alpha to proton ratios). Now, we address the question, if these differences result from spacecraft trajectories through varying parts of the MC or from the MCs' diverse history of origins. By applying the magnetic field fit results and compositional data with a time resolution of 1h measured by SWICS (Solar Wind Ion Composition Spectrometer) position-dependent charge-state and elemental composition is calculated. The large inhomogeneity at similar trajectories indicates different origins of MCs. We concentrate on the influence of flare associations. Flare associations lead to mean charge states enhancements. We found a dependence of the elemental composition on the iron mean charge state, with an increase of low and high FIP (First Ionisation Potential) elements toward a higher mean charge state. In a last step we look for symmetries in the mean charge-states time series and address the question if the MC plasma does completely mix along the way from sun to Earth.

Koronale Massenauswürfe (CMEs) sind die explosionsartige Freisetzung großer Plasmawolken auf der Sonne. Bis heute sind die Mechanismen, die zur Auslösung dieser Auswürfe führen, nicht bekannt. Die interplanetaren Gegenstücke zu den CMEs werden ICMEs (Interplanetare CMEs) genannt. Bei einem Abstand von 1 AU von der Sonne zeigt ungefähr ein Drittel aller ICMEs eine gleichmäßige Rotation des magnetischen Feldstärkevektors (oftmals zusammen mit erhöhter Magnetfeldstärke). Diese Strukturen werden magnetische Wolken (MCs) genannt. Aufgrund der klaren Strukturierung kann das magnetische Feld modelliert werden. Nimmt man eine bestimmte Strukturierung des Magnetfeldes an und passt diese an gemessene Daten an, kann die Flugbahn einer Sonde innerhalb der MC rekonstruiert werden. Als erstes wurden 67 MCs, die im Zeitraum von 2001 bis 2007 auf ACE (Advanced Composition Explorer) trafen, anhand von Plasma- und Magnetfeldsignaturen identifiziert. In einem zweiten Schritt wurden drei Modelle an die Magnetfelddaten angepasst. Diese Modelle decken unterschiedliche Feldtypen (kräftefrei und nicht kräftefrei) und Geometrien (kreisförmige und elliptische Grundflächen) ab. Als erstes vergleichen wir die Resultate der Modellanpassungen für die drei Modelle. Unterschiede in der Element- und Ladungszusammensetzung von MCs in Bezug auf normalen Sonnenwind sind seit längerem bekannt (z. B. erhöhte Eisenladungszustände, erhöhtes O7+ zu O6+ Verhältnis und erhöhtes Verhältnis von Alphateilchen zu Protonen). Wir stellen uns jetzt die Frage, ob diese Unterschiede aus Durchflügen durch unterschiedliche Teile der MCs oder aus unterschiedlichen Entstehungsgeschichten resultieren. Unter Verwendung der Modellanpassungen und von mit SWICS (Solar Wind Ion Composition Spectrometer) gemessenen Kompositionsdaten mit einer Zeitauflösung von 1h können wir positionsabhängige Ladungs- und Elementzusammensetzungen bestimmen. Die grosse Variabilität entlang ähnlicher Flugbahnen deutet auf unterschiedliche Entstehungen der MCs hin. Wir konzentrieren uns auf den Einfluss von Flare-Assoziationen. Flare-Assoziationen führen zu erhöhten Ladungszuständen. Wir haben eine Abhängigkeit der Elementzusammensetzung vom mittleren Eisenladungszustand gefunden. Bei höherem Ladungszustand sind Elemente mit kleinem und hohem FIP (Erste Ionisationsenergie) angereichert. Als letztes betrachten wir die Symmetrie der Zeitreihen der mittleren Ladungszustände und stellen die Frage, ob sich das MC Plasma auf dem Weg von der Sonne zur Erde komplett durchmischt.

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Rodde, Roland: Elemental and charge-state composition inside magnetic clouds determined with ACE/SWICS.

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