Localized structures of the magnetic field strength depression are often observed in the interplanetarymedium, and they are called ‘magnetic holes’ after the original work of Turner et al. 1977. A numberof observations of similar features have been reported, while the mechanisms of their origin have notfully understood yet. The scale size of their structures varies from several to a few thousand of the protongyro radii, and their characteristic orientations of the magnetic field also vary, and therefore differenttypes of the magnetic holes have been suggested. To date, the magnetic holes are classified into Mirrormode and magnetic decreases (Tsurutani et al. 2011). Despite a large number of papers that report theobservational characteristics of the magnetic holes, many identify the feature using only the magneticfield data. This is due to the scale size of the structure at a large speed of the solar wind medium, thespatial resolution of the plasma instruments is often insufficient while the magnetic field instrument canusually obtain the data in high enough time resolution.The Cassini spacecraft orbited Saturn for almost 17 years and obtained a large amount of data in/near theKronian magnetosphere, where the series of the magnetic depletions have been also observed (Smith et al.1980). The Langmuir Probe (LP) onboard Cassini measures the spacecraft potential and, in turn, measuresthe electron density in in-situ in the outer magnetosphere and solar wind region. This measurement hasbeen done using the LP sweep mode which samples the current-voltage curve of the probe every 10 minin the outer magnetosphere. The LP has also been operated in the continuous mode that measures theprobe current at a fixed bias potential every 16 s allowing to calculate the electron density in a smallerscale that is required for the studies magnetic holes. However, there is no general calibration so far inorder to conduct a statistical study in the outer magnetosphere region. The goal of this project is toinvestigate the possibility to use the LP data for the magnetic hole study, calibrate the LP continuousmode to derive the plasma density near the magnetospheric of Saturn, and investigate the scale size of theplasma density structure in the magnetic holes, i. e. plasma β, the field strength and density.The calibration of the continuous data was done by finding a relation between the current at 11 V, whichis a typical bias voltage of continuous mode, and the spacecraft potential obtained by the LP the sweepmode data. Is is expected that the current at 11V is linearly proportional to the floating potential andtherefore can be used to derive the electron density with the potential and density relationship presentedby Morooka et al. 2009. I found that the spacecraft attitude against the sun has a strong effect on therelation, and derived 11V current-floating potential relationship depending on the different spacecraftattitude.Using the LP continuous data calibration above, I investigated the electron density characteristics aroundthe magnetic hold structure, and confirmed that they are generally in anticorrelation relationship. I estim-ated also the plasma β assuming a constant temperature of 100 eV and investigated their characteristicsfor the different types of magnetic holes (linear and rotational holes) both in the magnetosheath and theholes in the solar wind for the year 2011. For the Cassini dataset during 2011, various different shapeand sizes of magnetic hole events have been found. Most (80%) of the MHs appeared within a groupedstructure, while the rest (20%) are found as isolated type holes in the magnetosheath. Among the isolatedMHs, about 30% had "Gaussian shape" and about 40% had a substructure. The scale size for the electrondensity for the isolated holes were on average 50 s in the solar wind, and 75 s (the rotational holes) and120 s (the linear holes) in the magnetosheath. Therefore, I confirmed that the LP can obtain enough datapoints to resolve the magnetic holes structure in the magnetosheath. The Cassini LP data resolution isalso capable to resolve some of the magnetic hole structure in the solar wind.In summary, I confirmed that the Cassini LP continuous data calibrated in this study is capable toinvestigate the different types of magnetic hole structures. Using this calibrated electron data statisticallyfor the large number of Cassini orbit would helpful to further identify the MHs structures in the solar wind and the magnetosheath that can be a key to understand the generation mechanisms of the magneticholes. / Lokaliserade strukturer med låg magnetfältstyrkan ses ofta i interplanetära mediet och de kallas ’mag-netiska hål’ (MH) (Turner et al. 1977). Trots et antal observationer av sådana strukturer har observeratsär deras generationsmekanism ännu förstådd. Storleken av strukturerna varierar från ett fåtal till någratusen protongyroradier och även deras kännetecknande inriktningar i magnetfältet varierar. På grund avdetta har olika typer av MH förslagits. Idag klassificerar man MH som ’mirror mode’ och magnetiskaminskningar (Tsurutani et al. 2011). Många studier har undersökt de magnetiska hålens egenskaper,men tyvärr oftast baserats endast på magnetfältsdata. Detta kan bero på strukturernas storlek vid en storsolvindshastighet, där plasmainstrumenten oftast inte har tillräckligt hög tidsupplösning för mätningar,medan magnetfältsinstrumenten kan oftast tillhandahålla data i hög tidsupplösning.Cassini-rymdfarkosten kretsade runt Saturnus i nästan 17 år och erhöll stora mängder data i och näraSaturnus magnetosfär. Langmuir-sonden (LP) ombord Cassini mäter rymdfarkostens potential ochdärmed mäter den elektrontätheten i rymden. Instrumentet fungerar som en slags väderstation för rym-dplasma och möjliggör mätningen av fundamentala plasmaparametrar såsom elektrontäthet, jontäthet,elektrontemperatur och jonmassa i en tät plasmaområdet av nära Saturnus. I den yttre magnetosfären därden plasmatätheten är låg, kan LP mäta rymdfarkosts potential och plasmatätheten. Mätningen, så kallade’sweep mode’ kan skaffades var 10:e minuter. LP:en mäter också i ’kontinuerlig mode’ som möjligenkan mäta plasmatätheten i mer frekventa men den behöver allmän kalibrering. I detta projekt undersökerjag möjligheten att använda LP kontinuerlig data för att studera MH, skapa kalibraring funktion för’kontinuerlig mode’ för att uppskatta plasmatätheten i Saturnus magnetosfär, och även att undersökastorleken och karaktär av plasmatäthetenstrukturen i MH.Jag undersökte först relationen mellan LP ström vid 11V och rymdfarkostens potential i sweep mode data.De härledda funktionerna användes vidare för att uppskatta densiteten med användning av relationenmellan rymdfarkostens potential och elektrontätheten (Morooka et al. 2009). Jag upptäckte också attden kontinuerlig mode funktionen är olika beroende på LP sensors läge i förhållande till solen ochrymdfarkosten. Hur Cassini är inriktad har en stor effekt på relationen och därför beskriva jag fyra olikarelationer för olika inriktningsregioner. Med den kontinuerlig mode funktionen jag härlett, undersöktejag struktur av magnetiska hålen som har listats av Tomas Karlsson på KTH. År 2011 innehåller MH medmycket olika former och storlekar. Den mest (80%) MH identifierades som grupp och resten (20%) varsom isolerade MH i magnetosheath. Av dessa isolerande hål har ca. 30% en Gauss-form och nästan 40%av MH verkar ha en understruktur. Genom att jämföra magfältdatan med elektrontätheten bekräftadejag den allmänna antikorrelationen mellan magnetfältstyrkan och elektrontätheten i MH-strukturerna.Dessutom hittar jag en ökning av elektron β som beräknas med en temperatur av 100 eV för linjära ochroterade MH i den magnetosheath samt MH i solvinden under 2011. Storleken av de isolerade magnetiskahålen är i genomsnitt 50 s i solvinden, 75 s (roterade magnetiska hål) och 120 s (linjära magnetiska hålen)i magnetosheath:en. Därför kan Cassini LP ha tillräcklig många datapoäng för att upplösa struktur avMH i magnetosheath. I solvinden kan LP upplösa en del av relativt stora MH.Sammanfattningsvis kan LP:s kontinuerlig kalibreringen från detta projekt användas för att analyserade olika strukturerna och storlekar av MH. Med denna kalibrerade plasmatäthet data är det möjligt attidentifiera olika MH karaktär i statistiskt för det stora antalet Cassini data. Det skulle vara en stor hjälpför att förstå genereringsmekanismerna av de magnetiska hålen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:uu-414766 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Bause, Marlon Luis |
| Publisher | Uppsala universitet, Institutionen för fysik och astronomi |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | FYSAST ; FYSPROJ1181 |
Page generated in 0.0034 seconds