Aufgrund des von der Sonne anströmenden Sonnenwindes wird die Erdmagnetosphäre, das ist jene Erdumgebung in der das Magnetfeld der Erde wirkt, auf der sonnenzugewandten Seite zusammengedrückt und auf der sonnenabgewandten Seite zu einem langen Schweif, den sogenannten Magnetschweif, gestreckt. In diesem Magnetschweif wird die Erdmagnetosphäre durch eine Stromschicht in eine südliche und nördliche Hemisphäre geteilt. Um die Dynamik in diesem Magnetschweif, inklusive Teilstürme – das sind plötzliche Freisetzungen von Energie im Magnetschweif die zu einer Kaskade an Ereignissen führen, an derem Ende Aurorae in der Erdatmosphäre stehen - zu studieren, wird diese Stromschicht aus Gründen der Einfachheit meist als eben angesehen. In der Realität ist diese Stromschicht allerdings gebogen – aufgrund des Neigungswinkels des erdmagnetischen Dipols und Abweichungen des Sonnenwindes von einer radialen Anströmrichtung. In diesem Projekt untersuchen wir die Auswirkungen einer Biegung der Stromschicht auf ihre Stabilität bezüglich der Transversalmode und auf die Initialisierung von Teilstürmen. Dazu verwenden wir analytische und numerische Methoden sowie Beobachtungen von Raumsonden.
In diesem Zusammenhang haben wir die folgenden Resultate gewonnen: (1) Die Wachstumsrate einer Instabilität ist in einer gebogenen Stromschicht mehr als doppelt so groß wie in einer ebenen Stromschicht. Damit ist eine Biegung der Stromschicht ein signifikanter destabilisierender Faktor. (2) Die sogenannte „Double-Gradient“-Instabilität entspricht der kompressiblen „Ballooning“-Mode im stark gestreckten Magnetschweif. (3) Während in einer ebenen Stromschicht Störungen entweder symmetrisch („kink“) oder anti-symmetrisch („sausage“) sein können, koexistieren in einer gebogenen Stromschicht sowohl „kink“- als auch „sausage“-Moden. (4) Im zeitlichen Verlauf erkennen wir in unseren Simulationen ein Abwechseln von stabilen und instabilen Moden. In einer ebenen Stromschicht dominiert die instabile Mode nach etwa 1.5 bis 2 Stunden – eine lange Zeitspanne verglichen mit der Zeitskala für Teilsturminitialisierungen. In einer gebogenen Stromschicht dominiert die instabile Mode wesentlich früher, bereits nach ca. 5 Minuten – eine Zeitspanne die im Einklang mit der Zeitskala für Teilsturminitialisierungen steht. (5) Magnetische Rekonnexion, ein Prozess während dem magnetische Energie in Plasmaenergie umgewandelt wird, erhöht die Wachstumsrate von Instabilitäten um den Faktor zwei. (6) Die Entropie beeinflusst nicht die Stabilität der Stromschicht bezüglich der betrachteten Mode. (7) Ein verallgemeinertes Instabilitätskriterium wurde abgeleitet, das nicht nur in der stark gestreckten Region des Magnetschweifs angewandt werden kann, sondern auch in der erdnahen Region und für gebogene Stromschichten. Durch diese Verallgemeinerung wurde außerdem ersichtlich, dass die zweiten Ableitungen des Gesamtdrucks die Instabilität kontrollieren. (8) Es wurde gezeigt, dass weder Wellen noch Instabilitäten mit einem Wellenvektor der entlang der Sonnen-Erde-Achse ausgerichtet ist, entstehen können. Dieses Resultat erklärt warum nur „flapping“-Wellen mit einer vorwiegend orthogonalen Ausbreitungsrichtung beobachtet werden. (9) Es wurde gezeigt, dass die Phasengeschwindigkeit als Funktion der Wellenzahl im Gegensatz zu Resultaten einfacher analytischer Modelle ein lokales Maximum besitzen kann. Ein solches Verhalten wurde durch Beobachtungen von Raumsonden bestätigt.