A comprehensive study of the magnetosheath cavities

Abstract

Bu çalışmada yüksek enerjili parçacıkların manyetik örtünün manyetik alan ve yoğunluk yapısına olan etkileri çok kapsamlı bir şekilde incelenmektedir. Yüksek enerjili parçacıklar, geldikleri bölgeler hakkında önemli bilgi taşıdıkları ve onları oluşturan fiziksel ve dinamik mekanizmalar hakkında önemli bilgi verdikleri için uzay çevresi çalışmalarındaki önemi çok büyüktür. Yüksek enerjili parçacıklar çok farklı yerlerden Dünya çevresine gelebilirler. Dünya'nın şok sınırının güneş tarafında yer alan ?ön şok? bölgesinde şokta enerjileri artan parçacıkların yansıyarak gelmekte olan güneş rüzgarı ile etkileşmesi sonucunda ?ön şok çökelme bölgeleri? meydana gelmektedir. Bu çalışmanın ana amaçlarından bir tanesi bu tip çökelme bölgelerinin manyetik örtü içerisinde de oluşup oluşmadığını araştırmaktır. Eğer oluşuyorsa, bunların özelliklerinin ne olduğunu, hangi şartlar altında oluştuğunu, hangi faktörlerden etkilendiğini, oluşmalarını ve gelişmelerini kontrol eden parametrelerin neler olduğunu, manyetopoz ile etkileşiminin nasıl olduğunu vb belirlemek çalışmamızın diğer amaçlarıdır. Bunları araştırmak için Interball ve Cluster uzay uydularının verilerini kullanarak 267 tane manyetik örtü içerisinde yüksek akılı enerjetik parçacık aralıklarını içeren vakalar tesbit ettik. Bu vakaların kapsamlı analizi sonucunda, bu parçacıklar grörüldüğünde, manyetik örtünün manyetik alan ve yoğunluk yapısındaki değişimleri saptadık. Gözlemsel olarak yüksek enerjili parçacıkların manyetik alan ve yoğunlukta %50'e varan düşüşlere sebep olduğunu gördük. Bu düşüşlerin olduğu bölgeleri manyetik örtü çöklme bölgeleri olarak adlandırdık. Manyetik örtü çökelme bölgelerinin içinde sıcaklığın arttığını bulduk. Bunun nedeni çökelme bölgesi içerisindeki yüksek enerjili parçacıkların yer almasıdır. Bu parçacıkların uyduladıkları basınç sayesinde de çökelme bölgeleri manyetik örtü içerisinde uzun süre kalabilmektedirler. Tipik kalma süreleri 15-30 dakika olarak belirlenmiştir. Çökelme bölgeleri içerisinde tüm parametrelerin çok türbülanslı ve yüksek değişimler gösterdikleri görülmüştür. Çökelme bölgelerinin güneşin manyetik alanının (IMF) ekliptik düzleminde x-ekseni ile yaptığı açının düşük olduğu zamanlarda yani IMF radyal olarak geldiği zamanlarda oluştukları görülmüştür. Çökelme bölgeleri var olduğunda, manyetopozun lokal olarak Dünya'dan uzaklaşacak şekilde hareket ettiği ve yaklaşık olarak normal güneş rüzgarı şartlarına göre %25-30 arasında büyük olduğu görülmüştür. Kinetik-hibrid model sonuçları gözlemleri desteklemektedir. IMF radyal yönde olduğunda model manyetik örtüsü düşük manyetik alan ve düşük yoğunluk göstermiştir. Böylece manyetik örtü çökelme bölgelerinin kaynağına yönelik bir ipucu vermiştir. Bu, ön şok bölgesindeki çökelme bölgelerinin güneş rüzgarı ile manyetik örtüye taşındığına işaret etmektedir. Model sonuçları manyetik örtü çökelme bölgelerinin özelliklerinin manyetik örtü içerisinde bulunulan noktaya göre değiştiğini ortaya koymaktadır. Gözlemlerdeki gibi, manyetik örtü çökelme bölgeleri içerisinde manyetik alan ve yoğunlukta yüksek çalkantılı yapılar saptanmıştır. Model sonuçları, bu peryodik, yüksek çalkantıların çökelmeler içerisinde oluşan dalga aktiviteleri olduğunu öne sormaktadır. Bu çalışma konusunda Türkiye'deki doktora araştırması düzeyindeki ilk araştırmadır. Bunun yanı sıra aynı zamanda Dünya'da yüksek enerjili parçacıklar ile manyetik örtünün yapısı üzerindeki etkileşmeyi gösteren çalışmadır. Pek çok terim ve konsep ilk defa bu çalışmada literatüre sunulmuştur. ?Manyetik Örtü Çökelme Bölgeleri? adı ilk defa bu tez ile literatüre girmiştir. Bu çalışmanın sonuçları manyetik örtü akışı, manyetopoz ve ionosfer arasındaki etkileşimi daha iyi anlayabilmek için çok önemli olup ve bu sonuçların modellere ve teorik çalışmalara integre edilmesi bu konulardaki gelişmeleri hızlandıracaktır.

In this study, we investigate the effects of energetic particles and magnetic field, and plasma structure of the magnetosheath. Energetic particles are important in space environment as their presence can give us important information about the region where they come from, what mechanisms create them, how they interact with the environment. Foreshock cavities are formed as a result of the interaction between the energized ions reflected from bow shock and the incoming solar wind particles in the region just upstream of the Earth?s bow shock. This study explores whether similar structures are present in the magnetosheath region, if so, how they formed and what controls their formation and characteristics, and what are their role on the interaction between the solar wind, magnetopause and ionosphere. These questions are addressed in this study in a comprehensive and systematic way. Observationally, four years of Interball and Cluster spacecraft data were searched for the high flux intervals of energetic particles as the spacecraft travel in the magnetosheath. We determined 267 energetic particle flux burst events and investigated the variations in the magnetosheath magnetic field and plasma in the presence of these particles in the magnetosheath flow. Our search results showed that the magnetic field and density were depressed up to 50% while the temperature increased in the presence of the energetic particles. We named these structures as the magnetosheath cavities as analogous to the foreshock cavities. Thus, the depressed magnetic fields and densities characterize the magnetosheath cavities. The fact that the temperature increases within these cavities indicates that the cavities were heated by the energetic particles within them. This also supplies the gas pressure that allows them to stay alive in the magnetosheath. All parameters become highly fluctuating within the magnetosheath cavities. Our statistical results showed that the magnetosheath cavities last typically 15-30 min. It is seen that the magnetopause moves locally outward from the Earth and is found to be larger by about 25-30% with respect to the solar wind driven magnetopause in the presence of the cavities. Magnetosheath cavities appear to occur during the low IMF cone angles which is the key finding of our research. The interaction between the magnetosheath cavities and magnetopause results in the expansion of the magnetopause away from the Earth. We compare observational findings with those obtained from kinetic-hybrid model simulations. Model results confirm the observational findings but also present new enlightening results on the formation and sources of the magnetosheath cavities. The model runs for radial IMF, for which IMF cone angle is 0o, clearly indicate that the magnetosheath cavities form when the IMF cone angle is low. Model cavities display highly structured and turbulent features depending on the location in the magnetosheath. These periodic, high amplitude fluctuating fields indicate wave activity within the magnetosheath cavities. This study is a first in displaying the relationship between the high energy particles and the magnetic field and density structure of the magnetosheath. The name ?magnetosheath cavities? is introduced in the literature for the first time in this study. Results of this study are crucial for the understanding of the interaction between the magnetosheath flow and the magnetopause, ionosphere and upper atmosphere of the Earth.