Exploration of the internal flux rope current density using a spacecraft constellation

Abstract

Durant molts anys la comunitat científica ha estat treballant per entendre millor la topologia i les propietats físiques dels tubs de flux (flux ropes en anglès), car són una de les principals formes en les quals l’activitat solar estructura el plasma i els camps electromagnètics. Aquests tubs de flux són, per definició, rotacions de línies de camp magnètic al voltant d’un eix. És per això que els estudis sempre s’han centrat en la topologia del camp magnètic. Tanmateix, segons les equacions de Maxwell, la distribució de densitat de corrent elèctric es pot considerar com l’origen de l’estructura helicoidal. Aquest treball introdueix una nova metodologia per encarar la investigació dels tubs de flux, basada en l’estudi de la densitat de corrent. Amb aquesta finalitat es fa servir una constel·lació de satèl·lits per estimar la densitat de corrent elèctric, mitjançant la tècnica curlometer. També s’ha validat i testejat la metodologia, simulant la trajectòria d’una constel·lació de quatre satèl·lits travessant un tub de flux. Seguidament, la qualitat de la metodologia és avaluada sota diferents circumstàncies i condicions. Finalment, s’aplica la metodologia en un tub de flux observat per Cluster el dia 13 de febrer de 2001.

Durante muchos años la comunidad científica ha trabajado para entender mejor la topología y las propiedades físicas de los tubos de flujo (flux ropes en inglés), puesto que son una de las principales maneras en las que la actividad solar estructura el plasma y los campos electromagnéticos. Es por eso que los estudios siempre se han centrado en la topología del campo magnético. No obstante, de acuerdo con las leyes de Maxwell, la distribución de densidad de corriente se puede considerar como el origen de la estructura helicoidal. Este trabajo introduce una nueva metodología para encarar la investigación de los tubos de flujo, basada en el estudio de la densidad de corriente. Con esta finalidad se emplea una constelación de satélites para estimar la densidad de corriente, mediante la técnica curlometer. También se ha validado y testeado la metodología, simulando la trayectoria de una constelación de cuatro satélites atravesando un tubo de flujo. Finalmente, se aplica la metodología en un tubo de flujo observado por Cluster el día 13 de febrero de 2001.

For many years the scientific community has been working on understanding the topology and the physical properties of flux ropes since they are one of the main ways solar activity structures plasma and electromagnetic fields. These flux ropes are, by definition, rotations of the magnetic field lines around an axis. Therefore, the main focus of its research has always been on magnetic field topology. However, according to Maxwell’s laws, the current density distribution can be considered the genesis of the helical magnetic field structure. This work introduces a new methodology to approach the flux rope investigation by studying its internal current density distribution. To this end, a constellation of spacecraft is employed to estimate the current density through the curlometer technique. The methodology has been validated and tested by simulating the trajectory of a 4-spacecraft constellation through a synthetic flux rope. Thereupon, the methodology’s performance is evaluated under various circumstances and conditions. Finally, the methodology is applied to a flux rope observed by Cluster on the 13th of February 2001.