Feldparallele Stromsysteme beim Merkur

• Antragsteller: Dr. Daniel Heyner
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397023160

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Merkur besitzt ein schwaches Dipolfeld und ist einem starken Sonnenwind ausgesetzt. Diese Strömung besteht aus geladenen Teilchen, die durch das Merkurmagnetfeld abgelenkt werden. Gleichzeitig wird das Magnetfeld verformt. Es entsteht eine kleine und sehr dynamische Magnetosphäre. Der Sonnenwind übt eine gewisse mechanische Spannung auf die Magnetopshäre aus. Dadurch werden spezielle Ströme getrieben, die entlang der magnetischen Feldlinien fließen, entlang denen sich die Plasmateilchen leicht bewegen können. Diese Art von Strom wird als feldparalleler Strom bezeichnet. Das planetare Magnetfeld tragt diese Ströme hin zum Planeten. Auf der Erde existieren diese Art von Strömen auch und treffen dann auf die lonsophäre, welche diese Ströme von der Morgen- auf die Abendseite umlenkt. Beim Merkur gibt es aber diese lonosphäre nicht, und es stellt sich dann die Frage, wie die feldparallelen Ströme nun von einer Hemisphäre zur anderen fließen können. Es wurde allgemein angenommen, dass die Ströme innerhalb des Planeten fließen müssen. Mit Computersimulationen konnten wir zeigen, dass ein guter Teil der Ströme über die Polregion oberhalb des Planeten fließen kann, wenn der Gehalt der Natriumionen in der Umgebung des Planeten hoch genug ist. Diese Natriumpartikel werden durch verschiedene Mechanismen freigesetzt wie der Bombardierung mit Mikro-Meteroiten oder einfach durch energiereiche Photonen der Sonne. Eine andere, überraschende Sache bei Merkur ist die Beständigkeit der feldparallelen Ströme. Bei der Erde treten diese Ströme nur auf, wenn das Magnetfeld, das den Sonnenwind durchdringt, nach Süden dreht. Seltsamerweise wird dieses Verhalten bei Merkur nicht beobachtet. Aber einige Zweifel an der Analyse bleiben. Die Sonde MESSENGER konnte nicht gleichzeitig den Sonnenwind und die Magnetosphäre vermessen. Daher waren die Instrumente blind fuür die Sonnenwindbedingungen, wenn MESSENGER auf jedem Orbit in die Magnetosphäre eindrang. Wir konnten zeigen, dass die Doppelsatelliten-Mission BepiColombo, die gerade zum Merkur unterwegs ist, bessere Umlaufbahnen um den Planeten haben wird, um diese seltsamen feldparallelen Ströme detaillierter zu untersuchen. Für die orbitale Missionsphase haben wir auch neue, robuste Methoden getestet, um sowohl die Ströme als auch das interne Feld des Merkur gleichzeitig zu bestimmen. Wir haben das Projekt mit einer Studie zu extremen Sonnenwindereignissen abgeschlossen, welche die Magnetosphäre noch weiter komprimieren. Dabei überlappen sich die Stromsysteme, und die einzelnen Systeme lassen sich nur schwer voneinander trennen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2018). Coronal mass ejection hits Mercury: A.I.K.E.F. hybrid-code results compared to MESSENGER data, Planetary and Space Science, 153, 89
  W. Exner and D. Heyner and L. Liuzzo and U. Motschmann and D. Shiota and K. Kusano and T. Shibayama
  
• (2020). Influence of Mercury’s exosphere on the structure of the magnetosphere, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125
  W. Exner and S. Simon and D. Heyner and U. Motschmann
  
• (2021). Cross-comparison of global simulation models applied to Mercury’s dayside magnetosphere, Planetary and Space Science, 198, 105176
  Aizawa, S., Griton, L. S., Fatemi, S., Exner, W., Deca, J., Pantellini, F., Yagi, M., Heyner, D., Génot, V., André, N., Amaya, J., Murakami, G., Beigbeder, L., Gangloff, M., Bouchemit, M., Budnik, E., Usui, H.
  
• (2021). The BepiColombo Planetary Magnetometer MPO-MAG: What Can We Learn from the Hermean Magnetic Field?, Space Science Reviews, 217(4), 52
  Heyner, D., Auster, H.-U., Fornaçon, K.-H., Carr, C., Richter, I., Mieth, J. Z. D., Kolhey, P., Exner, W., Motschmann, U., Baumjohann, W., Matsuoka, A., Magnes, W., Berghofer, G., Fischer, D., Plaschke, F., Nakamura, R., Narita, Y., Delva, M., Volwerk, M., Balogh, A., Dougherty, M., Horbury, T., Langlais, B., Mandea, M., Masters, A., Oliveira, J. S., Sánchez-Cano, B., Slavin, J. A., Vennerstrøm, S., Vogt, J., Wicht, J., Glassmeier, K.-H.
  
• (2021). The Mie representation for Mercury’s magnetospheric currents. Earth, Planets and Space, 73(1), 204
  Toepfer, S., Narita, Y., Exner, W., Heyner, D., Kolhey, P., Glassmeier, K. H., Motschmann, U.
  
• Modelling Mercury’s Magnetosphere Under Different Solar Wind Conditions, Doktorarbeit, Technische Universität Braunschweig, 2021
  W. Exner