Magnetic Reconnection and Heavy Ions

Abstract

Majoriteten av materien i det observerbare universet eksisterer i form av en plasma. Plasmaet er karakteriseres av en samling ladede partikler som oppfyller visse elektrodynamiske egenskaper hvor den typiske potensielle energien til en partikkel på grunn av Coulomb-attraksjonen til dens nærmeste nabo er mindre enn dens tilfeldige kinetiske energi. Et typisk plasma er dermed praktisk talt fritt for direkte påvirkning av andre ladede partikler som igjen muliggjør den synergetiske og komplekse interaksjonen mellom plasmaet og de elektriske og magnetiske feltene. Nesten alle plasmaprosesser er avhengig av enten konvertering fra lagret elektromagnetisk energi i feltene til mekanisk energi av plasmapartiklene eller omvendt. En av de viktigste energiomdannelsesprosessene som skjer i en plasma er magnetisk omkobling. Når det gjelder jordens magnetosfære, er magnetisk omkobling den primære mekanismen som muliggjør transport av energi, masse, momentum og magnetisk fluks inn til jordens magnetiske miljø. Videre er magnetisk omkobling ansvarlig for magnetiske stormer og høy geomagnetisk aktivitet og kan til slutt føre til optisk nord- og sørlys. Styrken til denne eksplosive energifrigjøringen avhenger av en rekke forhold. En mekanisme som kan redusere effektiviteten er tilstedeværelsen av tunge ioner. Vi vet fra observasjoner at tunge ioner, som ionisert oksygen, transporteres fra ionosfæren vår, ut langs magnetfeltet, til magnetopausen og magnetohalen hvor de kan fanges opp av omkoblingssprosessen. Mens de vanligste plasmakomponentene i disse regionene er protoner og elektroner, kan tyngre ionearter, som oksygen, noen ganger dominere under stormtidsforhold. Å forstå hvordan tunge ioner endrer dynamikken og effektiviteten til omkoblingssprosessen er derfor avgjørende for å få et fullstendig bilde av hvordan magnetisk omkobling fungerer. Dette er hovedmålet i denne avhandlingen.

I jakten på dette benyttes to fremgangsmåter: 1) Numeriske 2.5D partikkel-i-celle (PIC) simuleringer, og 2) Romfartøyobservasjoner gjort av NASAs Magnetospheric Multiscale-oppdrag. I denne avhandlingen er det blitt funnet at tyngre ioner introduserer en distinkt kinetisk dynamikk og ekstra romlige og tidsmessige skalaer for omkoblingssprosessen. På grunn av sin inertielle treghet vil oksygenet reagere på feltvariasjoner med en rate som er 16 ganger langsommere enn protonene og 30000 ganger langsommere enn elektronene. Denne raske responstiden for de lettere plasmapartiklene gir opphav til sterkere kobling til magnetfeltet, slik at enhver bevegelse av plasmapartiklene også vil endre bevegelsen til magnetfeltet - og omvendt. Plasmapartikler underlagt dette anses å ha en magnetisert atferd. Derfor, på grunn av sin høyere masse, er oksygenionene i mye større grad avmagnetisert under ellers samme omstendigheter. I dette tilfellet er oksygen-dynamikken hovedsakelig diktert av det elektriske feltet. Under visse forhold kan det oppstå kvasi-stabile O+ tetthetsstrukturer som vedvarer over flere ione-inertiallengder og blir referert til som oksygenbølger. Disse strukturene er blitt observasjonelt bekreftet som en del av denne avhandlingen.

Magnetiserte plasmapartikler kan effektivt overføre deres moment til omkoblingsregionen på grunn av deres tydelige kobling til magnetfeltet. Selv om O+, under visse forhold, viser en avmagnetisert oppførsel, er det funnet at de fortsatt er i stand til å endre dynamikken til i omkoblingsregionen. For en avmagnetisert plasmapartikkel skjer koblingen av O+ til den magnetiske fluksen i stedet indirekte gjennom elektronene ved en elektrostatisk kobling. Videre kan de avmagnetiserte oksygenionene redusere effektiviteten av magnetisk ombkobling, men ikke i den grad som er forutsagt av konvensjonelle massebelastningseffekter. Faktisk er effektiviteten av omkoblingssprosessen (omkoblingsraten) vist å være nesten dobbelt så høy som forutsagt av Alfvén-skalering. En ny skaleringsrelasjon er i denne avhandlingen blitt utviklet som viser at omkoblingsraten ikke er avhengig av konfigurasjonen til O+, men heller dens totale mengde. Mekanismen som reduserer effektiviteten av magnetisk omkobling realiseres ved at oksygenionene trekker ut energi fra feltene som ellers ville ha gått til akselerasjonen av elektronene og protonene. Funnene presentert i denne oppgaven har forbedret vår forståelse av hvordan magnetisk omkobling fungerer i vår magnetosfære og har bidratt til en økt forståelse av plasmafysikk generelt.

The vast majority of matter in the observable Universe exists in the form of plasma. The plasma is characterized by a collection of charged particles that exhibits certain electrodynamic properties in which the typical potential energy of a particle due to the Coulomb attraction of its nearest neighbor is much less than its random kinetic energy. A typical plasma is thus practically free from the direct influence of other charged particles which, in turn, enables the synergetic and complex interaction between the plasma and the electric and magnetic fields. A large part of plasma processes relies either on the exchange from stored electromagnetic energy in the fields to mechanical energy of the plasma particles or vice versa. One of the most important energy conversion processes occurring in plasma is that of magnetic reconnection. In the case of the Earth's magnetosphere, magnetic reconnection is the primary mechanism responsible for the transport of energy, mass, momentum, and magnetic flux into the Earth's magnetic cavity. Furthermore, magnetic reconnection is responsible for magnetic storms and high geomagnetic activity and may eventually lead to the optical aurora. The strength of this explosive energy release depends on a variety of conditions. One mechanism which can reduce the efficiency is the presence of heavy ions. We know from observations that heavy ions, such as ionized oxygen, are transported from our ionosphere, out along the magnetic field, to the magnetopause and the magnetotail where they can get captured by the reconnection process. While the most common plasma species in these regions are protons and electrons, heavier ion species, such as oxygen, can sometimes dominate during storm time conditions. Understanding how heavy ions alter the dynamics and efficiency of the reconnection process is therefore crucial for obtaining a complete picture of the workings of magnetic reconnection. This is the main objective of this thesis.

In the pursuit of this, two approaches are utilized: 1) Numerical 2.5D particle-in-cell (PIC) simulations, and 2) Spacecraft observations made by NASA's Magnetospheric Multiscale (MMS) mission. In this thesis, it is found that heavier ions introduce distinctive kinetic behavior and different spatial and temporal scales for the reconnection system. Due to its high inertia, O+ will respond to any field variations at a rate that is 16 times slower than the protons and 30000 times slower than the electrons. This fast response time for the lighter plasma species results in stronger field connectivity such that any motion of the plasma particles also will alter the motion of the magnetic field - and vice versa. Species subject to such conditions exhibit a magnetized behavior. Therefore, due to their higher mass, the oxygen ions are to a much larger degree subject to demagnetization. In this case, the O+ dynamics are predominantly dictated by the electric field. Under certain conditions, this may eventuate as quasi-steady O+ density structures persisting over several ion inertial lengths and are referred to as oxygen waves. These structures have furthermore been observationally confirmed as a part of this thesis using data from the MMS mission.

Magnetized species may efficiently impart their momenta to the reconnection site due to their evident coupling to the magnetic field. Even though the O+, under certain conditions, exhibit a demagnetized behavior, it is found that they are still able to alter the dynamics of the reconnection site. Here, the coupling of O+ to the magnetic flux occurs instead indirectly through the electrons by an electrostatic coupling. Furthermore, it is shown in the thesis that the demagnetized oxygen ions may reduce the reconnection rate, but not to the extent predicted by conventional mass-loading effects. By utilizing 2.5D particle-in-cell (PIC) simulations, we show that the reconnection process proceeds nearly twice as fast as predicted by Alfvén scaling. A new scaling relation has been developed in this thesis showing that the reconnection rate is not dependent on the configuration of O+. The rate reduction mechanism is realized by the fact that the oxygen ions extract energy from the fields that would otherwise have gone to the acceleration of the electrons and protons. The findings presented in this thesis have enhanced our understanding of the workings of magnetic reconnection in the near-Earth space environment and have contributed to a greater understanding of plasma physics in general.