Pickup Ions in the Heliosphere

Taut, Andreas

Particles that have been ionized from neutrals in the interplanetary space within the heliosphere are called PickUp Ions (PUIs). The freshly created ions are injected into the solar wind plasma with a characteristic Velocity Distribution Function (VDF) and carried outwards jointly with the solar wind and its embedded Interplanetary Magnetic Field (IMF). They mainly stem from two sources. On the one hand, PUIs are created from neutrals originating from the Local InterStellar Medium (LISM), because of the Sun’s relative motion with respect to the LISM. On the other hand, PUIs are produced by a yet unidentified mechanism within 1 AU from the Sun. The most likely candidates for a mechanism creating inner-source PUIs are related to the interaction of solar wind ions with interplanetary dust grains. The elemental composition of inner-source PUIs that is created by this process could be a key property to identify and understand the inner-source PUI production. Therefore, the composition of inner-source PUIs is investigated utilizing data provided by the Charge-Time-of-Flight (CTOF) sensor onboard the SOlar and Heliospheric Observatory (SOHO). Good agreement between the observed and the projected composition based on a specific production scenario could be demonstrated. The interstellar wind enters the heliosphere forms a symmetric flow about the Sun. As interstellar PUIs carry information about the velocity of their parent neutrals in their VDF, this symmetry can be exploited to derive the longitude of the interstellar flow by evaluating the measured VDF. In this thesis, we revisit a recent approach to determine this parameter from the measurement of the He+ PUI VDF with the Plasma and Suprathermal Ion Composition (PLASTIC) instrument on the Solar-TErrestrial RElations Observatory (STEREO) Ahead spacecraft. Various systematic errors of the original method are identified and removed. Additionally, an improved method to estimate the resulting errors is developed.

Pickup Ionen entstehen, wenn Neutralteilchen im interplanetaren Raum innerhalb der Heliosphäre ionisiert werden. Die frisch erzeugten Ionen werden mit einer charakteristischen Geschwindigkeitsverteilung in das Sonnenwindplasma injeziert und von diesem durch das mitbewegte interplanetare Magnetfeld hinausgetragen. Für die Neutralteilchen gibt es vorwiegend zwei Quellen. Einerseits entstehen Pickup Ionen aus Neutralteilchen, die aus dem lokalen interstellaren Medium stammen. Andererseits können Pickup Ionen auch innerhalb von 1 AU durch einen noch nicht genau identifizierten Prozess entstehen. Wahrscheinlich entstehen die Pickup Ionen aus der inneren Quelle durch eine Wechselwirkung von Sonnenwindionen mit interplanetarem Staub. Durch diesen Prozess resultiert eine elementare Zusammensetzung, die dabei helfen könnte den Entstehungsprozess dieser Teilchen zu verstehen. Daher haben wir mithilfe des Charge-Time-of-Flight (CTOF) Sensors auf der SOlar and Heliospheric Observatory (SOHO) Raumsonde diese Zusammensetzung bestimmt. Es zeigte sich, dass die gemessene Zusammensetzung in guter Übereinstimmung mit der aus einem Produktionsmechanismus vorhergesagten ist. Der bereits erwähnte interstellare Wind erzeugt einen symmetrischen Fluss um die Sonne. Aus der Geschwindigkeitsverteilung von interstellaren Pickup Ionen kann man Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit der Neutralteilchen ziehen. Indem nun die Symmetrie des Neutralteilchenflusses um die Sonne ausgenutzt wird, kann auf die Einfallsrichtung des interstellaren Windes geschlossen werden. In dieser Arbeit greifen wir eine kürzlich veröffentlichte Methode auf, wie man mithilfe von Daten des Plasma and Suprathermal Ion Composition (PLASTIC) Instruments auf der Solar-TErrestrial RElations Observatory (STEREO) Ahead Raumsonde diesen Parameter bestimmen kann. Wir haben systematische Fehler dieser Methode identifiziert und ausgebessert. Desweiteren wurde eine verbesserte Methode zur Abschätzung der resultierenden Fehler entwickelt.

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Taut, Andreas: Pickup Ions in the Heliosphere. 2018.

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