Rekonnektio Maan magnetosfäärissä

Tässä väitöskirjassa perehdytään magneettisen rekonnektion ilmenemismuotoihin ja vaikutuksiin Maan magnetosfäärissä. Keskeisenä tutkimusvälineenä käytetään magnetohydrodynaamista (MHD) Gumics-magnetosfäärisimulaatiota. Työssä kehitetään myös uusia menetelmiä simulaatiossa ilmenevän rekonnektion tunnistamiseksi ja mittaamiseksi. MHD-simulaatio sopii suuren mittakaavan ilmiöiden tarkasteluun, joten kuvaa rekonnektiosta täydennetään pienen mittakaavan piirteiden osalta Cluster-satelliittien avulla. Tärkein tutkimuksen tuoma edistysaskel menetelmien saralla on rekonnektioviivan paikallistaminen topologisesti erityyppisten magneettikenttäviivojen alueiden liitoskohdassa olevana erottajaviivana neljän kentän tienoon menetelmää käyttäen. Tämä topologinen lähestymistapa on hyödyllinen erityisesti magnetopausilla, jonka monimutkainen geometria tekee magneettikentän paikalliseen käyttäytymiseen perustuvien rekonnektioviivan etsintätapojen soveltamisen hankalaksi. Topologisesti määritelty rekonnektioviiva on myös helppo tunnistaa magnetosfäärin globaalin konvektion solmukohdaksi. Magnetopausin rekonnektioviivan käyttäytyminen Gumicsissa noudattaa komponenttirekonnektio-olettamaan pohjautuvia teoreettisia ennusteita. Rekonnektion kvantitatiivinen tarkastelu Gumics-simulaatiossa perustuu energian muuntumiseen, joka lasketaan Poyntingin vektorin divergenssinä tai Poyntingin vuona valitun umpinaisen pinnan läpi. Rekonnektioon liittyvän energian muuntumisen jakautumista magnetopausilla tarkastellaan energian muuntumisen pintatiheyden avulla ja rekonnektion kokonaismäärää rekonnektiotehon avulla. Magnetopausin ja pyrstön rekonnektiotehot ovat simulaatiossa samaa suuruusluokkaa. Tärkeimmät magnetopausin rekonnektiotehoa säätelevät parametrit ovat aurinkotuulen nopeus ja aurinkotuulen magneettikentän suunta. Magnetopausin rekonnektio puolestaan säätelee energian ja aineen pääsyä magnetosfääriin, joskaan magnetopausin läpäisevät vuot eivät ole aivan suoraan verrannollisia rekonnektiotehoon. Pyrstön rekonnektioteho sen sijaan on suoraan verrannollinen magnetopausilta tulevaan energiavuohon; pyrstörekonnektio Gumicsissa on siis ulkoista pakotetta seuraava passiivinen energian käsittelijä. Simulaation tuottama rekonnektio on realistinen magnetosfäärin globaalissa mittakaavassa tarkasteltuna, mutta satelliittihavainnot paljastavat rekonnektiosta simulaation erottelukykyä pienimittakaavaisempia piirteitä. Havaintopuolella tämän väitöstutkimuksen tärkein löytö on protonien diffuusioalueen rakenteeseen kuuluvien Hallin kenttien kääntyminen pyrstön virtalevyn aaltoilun mukana.