Magnetic reconnection in the Earths magnetotail : temporal evolution and spatial characteristics

Magnetische Rekonnexion ist ein fundamentaler Prozess in Plasmen, der magnetische Energie in Teilchenenergie umwandelt und die globale Dynamik der Magnetosphäre beeinflusst. Wir untersuchten magnetische Rekonnexion via in-situ Beobachtungen sowie Fernerkundungen um die räumliche und zeitliche Entwicklung von Rekonnexion zu verstehen.Rekonnexion im erdnahen Magnetschweif findet unter der Anwesenheit eines starken dipolaren Magnetfeldes erdwärts des Rekonnexionsgebietes (X-Linie) statt. Eine quantitative Analyse der zeitlichen Evolution des Rekonnexionsgebietes von in-situ Beobachtungen zeigt, dass sich die X-Linie aufgrund eines Druckgradienten in der gegebenen asymmetrischen globalen Magnetfeldkonfiguration von der Erde wegbewegt. Außerdem stellten wir fest, dass die Geschwindigkeit der X-Linie mit der Einströmgeschwindigkeit und der Rekonnexionsrate, welche die Änderung der globalen Magnetfeldkonfiguration beeinflusst, in Beziehung steht.Die Analyse der in-situ Daten offenbarte ein häufiges Auftreten multipler magnetischer Rekonnexion. Die zeitliche Evolution multipler Rekonnexion geht mit einer dynamischen Interaktion der Rekonnexionsgebiete einher. Zwischen den X-Linien führen Kollisionen der entgegenströmenden Rekonnexionjets zur Entstehung einer dünnen Grenzschicht welche einer Kompression unterworfen ist, die mit starker Wellenaktivität auf kinetischen Skalen einhergeht.Von Fernbeobachtungen schätzten wir den magnetischen Fluss und den Ortder X-Linie durch Anwendung eines dreidimensionalen unstetigen Petschek-Models auf die beobachteten transienten Rekonnexionsströme.Die Resultate der Fernbeobachtung sind in gutem Einklang mit der gemessenen zeitlichen und räumlichen Entwicklung des damit verbundenen Teilsturms, was die Anwendbarkeit des unstetigen Petschek-Models unterstützt. Die vorliegende Untersuchung liefert neues Wissen in Bezug auf die zeitliche Entwicklung und die räumlichen Charakteristika von magnetischer Rekonnexion, inklusive die Dynamik magnetischer Rekonnexion und das Zusammenspiel der Bewegung der X-Linie und der Einströmgeschwindigkeit. Die Resultate und erarbeiteten Methoden der Fernerkundung können in anderen ähnlichen Rekonnexionsumgebungen, z.B. auf der Sonne oder in den Magnetschweifen anderer Planeten angewandt werden.Magnetic reconnection is a fundamental process in plasma, converting magnetic en-ergy to particle energy. In the Earths magnetotail, the process develops on a largerange of scales affecting global magnetospheric dynamics. We study magnetotail recon-nection by using observations from in situ and remote sensing in order to understandthe development of reconnection in time and space on different phases of its evolution.Reconnection in the near-Earth magnetotail operates under conditions where astrong dipole field exists Earthward of the reconnection site, the X-line. Quantitativeanalysis of the temporal evolution of the X-line from in situ observations showed thatin such an asymmetric global magnetic configuration, the X-line retreats away from theEarth due to the pressure gradient force. We also found that the X-line speed is relatedwith the reconnection outflow speed and the reconnection rate, which affects changes ofthe global magnetic configuration.The analysis of in situ data revealed a frequent occurrence of multiple reconnection.The temporal evolution of multiple reconnection involves dynamical interaction of theX-lines. Between the X-lines, collision of the counter-streaming reconnection flows leadsto the formation of a thin boundary which undergoes compression associated with strongwave activity on kinetic scales.By applying a three dimensional unsteady Petschek model to remote observationsof a transient reconnection flow, we estimated the reconnected magnetic flux and thelocation of the reconnection site. The estimates are in good agreement with the measuredtemporal and spatial evolution of the particular substorm, suggesting the applicabilityof the unsteady Petschek model for the remote sensing of the X-line.The presented research provides new knowledge of the temporal evolution and spatialcharacteristics of magnetotail reconnection, including dynamics of multiple reconnectionand interrelation between the X-line motion and the reconnection inflow speed. Theresults and elaborated method of remote sensing might be applicable in other similarreconnection environments, e.g., at the Sun and the magnetotails of other planets.Alexandra AlexandrovaZusammenfassung in deutscher SpracheAbweichender Titel laut Übersetzung des Verfassers/der VerfasserinKarl-Franzens-Universität Graz, Dissertation, 2016OeBB(VLID)153846