Determining Charged Particle Residence Times : An SDE-based Modelling Approach

Since their discovery as the dominant population in the low-MeV energy range, Jovian electrons have been utilised as test particles in studies on charged particle transport phenomena in the inner Heliosphere. The decentral position of the Jovian source thereby uniquely allows to distinguish between times in which parallel or perpendicular diffusion dominates the transport to the observer. This thesis undertakes a re-evaluation of several aspects of Jovian electron transport research, which will lead to an improved understanding of diffusion within charged particle transport and as a consequence to the development of a realistic and self consistent estimation of residence times, both numerically and analytically. Therefore the spectral data available for Jovian electron during flybys and at Earth orbit is revisited and the for the first time, a source spectrum will be suggested, which is based entirely on in situ data obtained during Jovian flybys. Thus, eliminating the influence of possible transport effects from the estimation of the spectral shape. The second part of the thesis focuses on an SDE-based modelling approach utilising the newly developed Jovian source spectrum. Its influence on the resulting differential intensities as a boundary condition is investigated by analysing the distributions of phase-space trajectories obtained by the simulations with respect to the adiabatic energy changes and comparing these distributions to their actual contribution to the resulting differential intensities. Based on these result this work is able to suggest improved values for the parallel and perpendicular mean free paths and narrow the choices for the extent of the model Heliosphere and the size of the time increment utilised by SDE-based simulations to eliminate the influence of the simulation setup on the results. Further the influence of corotating the Heliospheric magnetic field during the simulation time was proven to be significant. These investigations subsequent motivate the development of a new estimation or charged particle residence times. The physical inconsistencies of the the previous estimations will be shown and new numerical and a new analytical estimation are derived and discussed. Finally a comparison with spacecraft data confirms that the results presented in this thesis are able to reproduce realistically the behaviour of Jovian electrons in the inner Heliosphere, thereby introducing the effects of the corotating Heliospheric magnetic field as a measure for the Jovian residence time.

Seitdem sie als dominante Elektronenpopulation in niedrigen MeV-Bereich entdeckt wurden, sind Jupiterelektronen als Testteilchen in Studien zur Ausbreitung gelandener Teilchen in der inneren Heliosphäre eingesetzt worden. Die dezentrale Position der Jupiterquelle ermöglichte dabei auf einzigartige Weise zwischen Perioden zu unterscheiden, in denen entweder parellele oder senkrechte Diffusion den Transport der Teilchen zwischen Quelle und Beobachter dominiert. Diese Arbeit unternimmt eine Re-Evaluation diverser Aspekte der Forschung zur Ausbreitung von Jupiterelektronen, die zu einem vertieften Verständnis der Diffusion als Teil des Transports von geladenen Teilchen und in Konsequenz zu einer realistischen und selbstkonsistenten Abschätzung der Laufzeiten führen wird, sowohl numerisch, als auch analytisch. Deshalb wurden die Spektraldaten bezüglich der Jupiterelektronen, die während Vorbeiflügen und am Erdorbit aufgenommen wurden, ein weiteres Mal analysiert und so zum ersten Mal ein Quellspektrum vorgeschlagen, das ausschließlich auf Messungen basiert, die während Vorbeiflügen aufgenommen wurden. Auf diese Weise werden mögliche Einflüsse von Transporteffekten von der Ermittlung der spektralen Gestalt eliminiert. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Modellierung des Jupiterelektronentransportes mit Hilfe des neu entwickelten Quellspektrums auf Basis Stochastischer Differentialgleichungen. Der Einfluss des Quellspektrums auf die resultierenden differentiellen Intensitäten vermittels der Randbedingungen wird untersucht, indem die Verteilungen der Phasenraumtrajektorien als Ergebnis der Simulationen in Bezug auf die adiabatischen Energieänderungen analysiert und mit ihrem tatsächlichen Einfluss auf die resultierend differentiellen Intensitäten verglichen werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen ist diese Arbeit in der Lage verbesserte Werte für die mittleren freien Weglängen, parallel und senkrecht zum interplanetaren Magnetfeld, vorzuschlagen und die Werte für das radiale Ausmaß der Modellheliosphäre und die Größe des Zeitschrittes einzuschränken, um Einfluss der Simulationsmethode auf die Ergebnisse zu vermeiden. Desweiteren wurde gezeigt, dass der Einfluss der Korotation des Magnetfeldes während des Simulationsprozesses signifikant ist. Diese Untersuchungen motivieren im Folgenden die Entwicklung einer neuen Abschätzung für die Laufzeiten geladener Teilchen. Dazu werden die physikalischen Inkonsistenzen bisheriger Vorschläge gezeigt und neue numerische und analytische Ansätze hergeleitet und diskutiert. Schließlich zeigt ein Vergleich mit Satellitendaten, dass die Ergebnisse dieser Arbeit in der Lage sind, das Verhalten von Jupiterelekronen in der inneren Heliosphäre realistisch wiederzugeben; dazu werden die Effekte der Korotation des heliosphärischen Magnetfeldes als Maß für die Laufzeiten der Jupiterelektronen eingeführt.

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