Analysis of Anisotropic Jovian Electron Events

Dunzlaff, Phillip

The Jovian magnetosphere, besides the Sun and galactic cosmic radiation, is a considerable source of energetic particle in the solar system. The focus of this work is on so-called ``Jovian electrons'', i.e. electrons of about ~1 to >40 MeV. This particle population was first observed by the Pioneer 10 and 11 spacecraft in the early 1970s. Within the scope of this work is an analysis of MeV electrons measured by the Ulysses and Pioneer 10/11 spacecraft in the Jovian magnetosphere. Due to the application of statistical and time series analysis methods it was possible to identify another quasi-periodic variation of the energy spectrum beside the famous "Jovian clock" related to the Jovian periodicity of 10h. While the latter observation is extensively discussed in the corresponding literature, the work at hand provides a more detailed discussion of the second quasi-periodic variation based on the analysis and comparison of Ulysses and Pioneer data. The main part of this work is dedicated to the analysis of "Jovian jet" events. These events - discussed for the first time in 1993 by Ulysses data - are characterized by sharp increases and decreases of flux and a duration of not more than a few hours. Furthermore, these events are accompanied by significant directional anisotropies of the particles. Some events also show evidence for the presence of the Jovian 10h periodicity in the energy spectrum similar to the observations inside the magnetosphere. The application of a "three-dimensional" spectral analysis method was found to be superior to previously used methods with respect to the identification of the 10h modulation. In particular, it was possible to detect the 10h periodicity well beyond a distance of 1AU (Astronomical Unit) from Jupiter, increasing the previous detection limit by a factor of ~1.5. An application of these methods to the Pioneer 10 data revealed a good agreement with Ulysses data. In particular, it could be shown that larger bursts of Jovian electrons named "Jovian jets" can be interpreted as being composed of Jovian jet events. The development of a pitch-angle dependent numerical transport model for Jovian electron events is presented. The consideration of the pitch angle in the propagation of Jovian electrons lead to the interpretation that the observation of Jovian jets are a direct consequence of the injection of electrons near the Jovian magnetosphere.

Die Jupitermagnetosphäre stellt neben der Sonne und der galaktischen kosmischen Strahlung eine bedeutende Quelle von energiereichen, geladenen Teilchen im Sonnensystem bzw. der Heliosphäre dar. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Komponente der sogenannten "Jupiterelektronen", Elektronen im Energiebereich von ~1 bis >40 Megaelektronenvolt (MeV). Diese Teilchenpopulation wurde erstmals durch die Pioneer 10 und 11 Raumsonden in den frühen 1970ern beobachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Analyse von MeV-Elektronen Meßdaten der Ulysses und Pioneer 10/11 Raumsonden in der Magnetosphäre des Jupiters durchgeführt. Durch die Anwendung von statistischen Methoden und Zeitreihenanalysen konnte neben der bekannten - mit der Rotation des Planeten verknüpften - 10h Modulation des Energiespektrums eine weitere periodische Variation nachgewiesen werden. Während erstgenannte, unter dem Stichwort "Jovian Clock" bekannte Modulation Gegenstand einer Anzahl wissenschaftlichen Artikel ist, wird in der vorliegenden Arbeit erstmals eine ausführlicherere Beschreibung und insbesondere ein Vergleich zwischen den Ulysses und Pioneer Ergebnissen dargestellt. Der umfangreichste Teil dieser Arbeit widmet sich der Analyse von "Jovian Jets" anhand von Meßdaten der Raumsonden Ulysses und Pioneer 10/11. Diese Ereignisse, erstmals 1993 anhand von Ulysses-Daten beschrieben, zeichnen sich im Vergleich zur übrigen Population von Jupiterelektronen durch einen plötzlichen Anstieg und Abfall der Elektronenzählraten bei einer gesamten Ereignisdauer von höchstens einigen Stunden in Verbindung mit einer deutlichen Richtungsanisotropie des Teilchenflusses aus. Bei einigen dieser Ereignisse kann eine zeitliche Modulation des Energiespektrums der Elektronen mit der Rotationsperiode des Jupiter von ~10 Stunden gefunden werden, wie sie innerhalb der Jupitermagnetosphäre vorherrschend ist. Die Anwendung einer "dreidimensionalen" Spektralanalysemethode erwies sich als den bisher verwendeten Methoden bzgl. des Nachweises dieser Modulation überlegen. Insbesondere konnte die 10h Periodizität erstmal bei einem Abstand vom Jupiter von deutlich über 1 AU (Astronomische Einheit) nachgewiesen werden, entsprechend einer Erweiterung der bisherigen Nachweisgrenze um den Faktor ~1.5. Eine Anwendung dieser Analysemethoden auf die Meßdaten der Pioneer 10 Raumsonden ergab eine gute Übereinstimmung mit den Ulysses Daten. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die als "Jovian Bursts" bezeichneten Ereignisse als "Jovian Jets" aufgefasst werden können. Die Entwicklung sowie Anwendung eines die Anisotropie (bzw. des magnetischen Anstellwinkels) dieser Jupiter-Ereignisse berücksichtigenden Transportmodells wurde vorgestellt. Die Berücksichtigung des Anstellwinkels bei der Ausbreitung von Jupiterelektronen führt zur der Annahme, dass die Beobachtung von Jovian Jets eine direkte Folge der Injektion von Elektronen nahe der Jupitermagnetosphäre ist.

Zitieren

Zitierform:

Dunzlaff, Phillip: Analysis of Anisotropic Jovian Electron Events. 2013.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Keine CC Lizenz (es gilt das deutsche Urheberrecht)

Export