Die Magnetosphäre
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Die Magnetosphäre Übersicht: Voraussetzungen: 23.05.2005 geomagnetisches Feld, geomagnetischer Dynamo, Topologie der Magnetosphäre, Plasmen und Ströme, offene Magnetosphäre und Feldlinienverschmelzung, geomagnetische Störungen, Polarlichter, energiereiche Teilchen in der Magnetosphäre. Grundlagen MHD (Dynamo, Feldlinienverschmelzung, eingefrorene Felder) Plasmawellen Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 1 Erdmagnetfeld inneres Feld äußeres Feld 23.05.2005 entsteht in einem Dynamo-Prozess im Erdkern, kann nahe der Erdoberfläche durch ein Dipolfeld, oder genauer ein Multipolfeld angenähert werden, ist variabel in Betrag und Richtung (bereits auf historischen Zeitskalen), Umpolungen finden im Mittel alle 500 000 Jahre statt. entsteht durch die Stromsysteme in Ionosphäre und Magnetosphäre, zeigt neben einem Tagesgang (bedingt durch die Asymmetrie der Magnetosphäre) Variationen auf verschiedenen Zeitskalen von Sekunden bis zum Solarzyklus und länger. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 2 Geomagnetische Koordinaten Dipolachse gegen Rotationsachse geneigt, geomagnetisch Λ und Φ, geographisch λ und ϕ, magn. Südpol: ϕo = 78.3°N, λo = 291°E Geomagnetisches Potential liefert Magnetfeld und Flußdichte: Feld an der Erdoberfläche: 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 3 Geomagnetische Koordinaten Kartesische Koordinaten XYZ: Zylinderkoordinaten DHZ: Z vertikale Intensität (Br), H horizontale Intensität (Bϕ), D Deklination. Kugelkoordinaten BID: 23.05.2005 x nordwärts, y ostwärts, z vertikal. B Gesamtintensität, D Deklination, I Inklination. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 4 Dipolfeldlinie letzte Gleichung Folie 2 liefert die Feldlinie und damit für und nach Integration Definition L-Schale als Abstand der Feldlinie vom Erdmittelpunkt über dem Äquator in Einheiten des Erdradius: Physikalisch: Bahn des Führungszentrums eines Teilchens im Erdmagnetfeld 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 5 Multipolentwicklung Korrektere Beschreibung des Feldes nahe der Oberfläche durch Multipolentwicklung mit 23.05.2005 g, h als Normierungskoeffizienten, und P als Legendre-Koeffizienten. liefert dicht an der Oberfläche Genauigkeit besser 0.5%. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 6 Geomagnetisches Referenzfeld IAGA, 1985, EOS 67, see als www.agu.org/eos_elec/000441e.html Magnetisch Süd bei geographisch 78.3N und 69W Südatlantische Anomalie 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre Magnetisch Nord bei geographisch 78.3S und 111E 7 IGRF Observatorien http://www.ngdc.noaa.gov/seg/geomag/icons/Obs1999_lg.gif Für Modelle: http://www.ngdc.noaa.gov/seg/geomag/models.shtml 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 8 Feldumkehr 23.05.2005 Umpolungen in hochgradig variablen Zeitabständen. Mittlere Zeit zwischen Umpolungen 500 000 Jahre. Letzte Umpolung vor ca. 30000a. Zusätzlich kurze Episoden umgepolten Feldes (magnetic events) mit Zeitskalen von einigen 1000 Jahren. Parallel: Artensterben, Klimaveränderungen Gubbins, 1994, Rev. Geophys. 32, 61 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 9 „Kurzzeitige“ Variationen Strohbach,1991, Unser Planet Erde, Borntraeger 23.05.2005 Feld im Betrag auch zu Zeiten konstanter Polarität variabel. Dipolmoment vor 2000 Jahre ca. 50% größer als heute. Dipolmoment vor 500 000 Jahren weniger als 10% des heutigen. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 10 Säkularvariationen http://geophysics.ou.edu/solid_earth/notes/mag_earth/earth.htm Variationen in Feldstärke, Deklination und Inklination am festen Ort Zeitskalen: Beobachtungszeitraum (Dekaden) Variationen können lokal sehr unterschiedlich sein 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 11 Magnetfeld seit 1600 Dipolmoment nimmt um ca. 5% pro Jahrhundert ab. Abnahme seit ca. 1950 stärker (4x10E19 Am²/a, nach 2000 a Dipolanteile verschwunden). Nordpol zwischen 1600 und 1850 um ca. 0.08°/a nach West und 0.01°/a nach Süd. danach Lage des Nordpols relativ stabil. Fraser-Smith, 1987, Rev. Geophys. 25, 1 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 12 Variation Deklination des Feldes Im wesentlichen durch die Wanderung der Pole bedingt Deklination an festem Ort kann sich in wenigen Dekaden um einige 10 Grad ändern Große und sehr variable Deklination insbesondere im Bereiche der magnetischen Pole http://geomag.usgs.gov/intro.html 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 13 Geomagnetischer Dynamo differentielle Rotation zwischen innerem und äußerem Kern erzeugt toroidales Magnetfeld. zufällige Bewegungen in den TaylorSäulen bewirken Verdrehung des toroidalen Feldes in ein helikales Feld. der resultierende Strom erzeugt das an der Oberfläche beobachtete Dipolfeld. Strohbach,1991, Unser Planet Erde, Borntraeger 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 14 Magnetosphäre Topologie: Magnetopause, Polar Cusps, Magnetosphärenschweif, Polar Caps (Polkappen), Magnetosheath, Bugstoßwelle. Dynamik: 23.05.2005 Feldlinienverschmelzung im Schweif und an der Tagseite, Konvektion über den Polkappen. Parks, 1991, Physics of Space Plasmas, Addison-Wesley Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 15 Jahreszeitenabhängigkeit http://www.oulu.fi/~spaceweb/textbook/bmodels.html 23.05.2005 Neigung der Erdachse gegen Ebene der Ekliptik, Dipolachse gegenüber dieser um 11 Grad geneigt, Präzession der Dipolachse um die Erdachse im Laufe des Tages Erdachse raumfest → unterschiedliche mittlere Neigungen der Magnetfeldachse im Jahresverlauf Equinoctien: Dipolachse nahezu senkrecht zur Ebene der Ekliptik Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 16 Magnetopause Trennfläche zwischen interplanetarem und geomagnetischen Plasmen und Feldern. Definiert über Gleichgewicht aus Plasmadruck des Sonnenwindes und magnetischem Druck des Erdfeldes: Standoff-Abstand der Magnetopause auf Erde-Sonne-Linie: für mittlere Sonnenwindbedingungen 10 Erdradien (Variationen zwischen 5 und 20 Erdradien; Geschwindigkeiten der Magnetopause bis 600 km/s). 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 17 Chapman-Ferraro Current 23.05.2005 Stromsystem in der Magnetopause durch Gradientendrift des Sonnenwindplasmas. Überschuss positive Ladungen an Morgenseite, negative an Abendseite in niedrigen Breiten ⇒ Dawn-Dusk elektrisches Feld. Unterschiedliche Eindringtiefen von e und p liefern Polarisationsfeld, daher die Bahnen keine Halbkreise sondern elliptisch. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 18 Schweif der Magnetosphäre Pilip and Morfill, 1978, J. Geophys. Res. 83, 5670 23.05.2005 magnetischer Fluss in die Polkappe durch Integration der Vertikalkomponente des Feldes über die Polkappe: Gleichsetzen mit dem Fluss im Schweif liefert für dessen Radius Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 19 Stromsysteme im Schweif 23.05.2005 Strom in der Magnetopause: Chapman-Ferraro-Strom. Kontinuität fordert einen Strom in der Äquatoreben: cross-tailcurrent. Stromsystem kann zumindest im ferneren Schweif als zylindersymmetrisch angenommen werden. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 20 Verbindung Heliosphäre Anderson and Lin, 1969, J. Geophys. Res. 74, 3953 Crooker, 1977, J. Geophys. Res. 82, 3629 Geomagnetische Feldlinien nicht alle geschlossen sondern teilweise mit Verbindung zu interplanetaren Magnetfeldlinien. Variation des Musters mit der Polarität des interplanetaren Feldes. Faustregel: 23.05.2005 Feldlinien aus den Polkappen sind offen, Feldlinien in niedrigeren Breiten sind geschlossen. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 21 Bugstoßwelle und Magnetosheath Erde als Hindernis in der Überschallströmung Sonnenwind ⇒ Ausbildung einer Bugstoßwelle Magnetosheath als Übergangsbereich zwischen interplanetarem Medium (begrenzt durch Bowshock) und terrestrischen Plasmen (begrenzt durch Magnetopause) enthält Sonnenwindplasma 23.05.2005 das beim Durchgang durch den Bowshock abgebremst wurde und sehr turbulent ist. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 22 Magnetosheath nach Spreiter et al., 1966 23.05.2005 Ablenkung und Abbremsung des Sonnenwindes, Zunahme der Temperatur um Faktor 5 bis 10, an der Tagseite bis Faktor 20, Temperatur aus Energiebilanz: Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 23 Magnetopause - beobachtet durchgezogen: Modell Punkte: Beobachtungen Ness et al., 1964, J. Geophys. Res. 69, 3531 23.05.2005 relativ einfaches Gleichgewichtsmodell (Druckbilanz auf der Magnetopause, Gasdynamik für Bowshock und Magnetosheath) liefert gute Übereinstimmung Modell und Beobachtungen. Streuung der Beobachtungen durch Variabilität des Sonnenwindes. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 24 Ionosphäre Magnetosphäre enthält verschiedene Stromsysteme: Chapman-Ferraro Strom in der Magnetopause, Cross-Field Current im Schweif, Ringstrom der energiereichen Teilchen: Vertikale Ströme sorgen dafür, dass diese Systeme über die Ionosphäre geschlossen werden. Ionosphäre ist der Teil der Atmosphäre, in dem freie Ladungsträger auftreten. 23.05.2005 äquatorialer Elektrojet, polarer Elektrojet. Beobachtung: Reflektion und Absorption von Radiowellen, beginnt in einer Höhe von ca. 80 km, wird nach chemischer Zusammensetzung in Schichten eingeteilt, vollständige Ionisation in Hochatmosphäre. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 25 Atmosphäre - Schichtung absolute Elektronendichte; relative mit h ↑ gegen 1 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 26 Chapman-Schichten Herleitung Höhenprofile einer Ionosphärenschicht aus Abnahme Dichte mit Höhe barometrische Höhenformel Abnahme Elmags mit Tiefe Bougert-Lambert-Beer Elektronendichte in Abhängigkeit in Höhe und Zenithwinkel mit optischer Tiefe 23.05.2005 Ebenfalls anwendbar auf Ozonschicht. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 27 Zusammensetzung Atmo/Ionosphäre Internat. Referenzatmosphäre Elektronendichte mit zunehmender Höhe (oberhalb ca. 100 km): 23.05.2005 atomar statt molekular, ionisiert statt neutral, leicht statt schwer (Sedimentation). Ionosphärenschichten D,E,F willkürlich aus Struktur Elektronendichte. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 28 Leitfähigkeit der Ionosphäre Bestimmt durch: 23.05.2005 Zahl freier Ladungsträger und Stöße mit Neutralteilchen, Bewegungseinschränkungen durch Magnetfeld, Bewegung durch neutralen Wind. Leitfähigkeit ⎟⎢ B: Pederson-Leitfähigkeit ⎟⎢ E: Hall-Leitfähigkeit ⊥ E und ⊥ B: Gesamtstrom und Leitfähigkeitstensor Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 29 Sq-Stromsystem E-Schicht (90-120 km): 23.05.2005 höchste Leitfähigkeit, starke Neutralwinde, Tiden. Einflüsse auf e und p unterschiedlich stark ⇒ Ströme Berücksichtigung Neutralwind in Ohm´schem Gesetz: E-Schicht Dynamoschicht, in der kinetische Energie des Neutralwindes in elektrische Feldenergie konvertiert wird. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 30 Birkelandströme vertikale Ströme in hohen Breiten, Kopplung von Ionosphäre und Magnetosphäre Region 1 Strom in höheren Breiten: aufwärts Abendseite, abwärts Morgenseite. Region 2 Strom in etwas niedrigeren Breiten: 23.05.2005 Mittags: keine genaue Trennung, sehr variabel in Abhängigkeit von Polarität des ipl. Magnetfelds in die Ionosphäre abends, aus der Ionosphäre morgens. Iijima and Potera, 1976, J. Geophys. Res. 81, 5971 Mitternacht: Überlapp beider Systeme. Achtung: Ströme werden hauptsächlich von den Elektronen getragen, d.h. aufwärts Strom bedeutet Elektronen, die von der Magnetosphäre in die Ionosphäre gelangen! Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 31 Magneto-Ionosphäre Stromsystem Region 1 und 2 Ströme schließen sich in hohen Breiten in der Ionosphäre, in äquatorialen Breiten in der Magnetosphäre. Treibende Kraft in der Magnetosphäre Dusk to Dawn Feld aus Drift in der Magnetopause (Sonnenwind als Dynamo!) aus Chapman-Ferraro-Strom! 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 32 Sonnenwind-Magnetosphäre 23.05.2005 Magnetosphäre-Ionosphäre Kopplung durch Birkelandströme. Sonnenwind wirkt in der äquatorialen Magnetosphäre als Dynamo! die polare Magnetosphäre ist in dem System eine Last, in der Energie dissipiert wird. Es fehlen: Ströme im Zusammenhang mit geomagnetischer Aktivität. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 33 Zusammenfassung Stromsysteme Stromsysteme umfassen: Dynamos durch Magnetopausenstrom, Querstrom im Schweif, Region 1 und 2 Ströme, Ringströme. Dusk-Dawn E-Feld (getrieben vom Sonnenwind), E-Schicht in der Atmosphäre (getrieben vom Neutralwind). Geomagnetische Aktivität: 23.05.2005 Kurzschluß des Schweifstroms in das Region ½ Stromsystem. McPherron, 1996, in Introduction to space pyhsics, Cambridge Univ. Press Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 34 Plasmasphäre kaltes und dichtes Plasma ionosphärischen Ursprungs: hohes O+/H+, He+, O++, N+, N++, Energie ~1 eV, Dichte: 1E4/cm³ bei 1000 km, 10-100 an Plasmapause Räumlich koexistent mit Strahlungsgürteln. nach Carpenter, 1966, J. Geophys. Res. 71, 693 Beobachtung durch magnetosphärische Whistler-Wellen. Korotiert mit Erde, daher elektrisches Induktionsfeld. 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 35 Plasmapause und ipl. Medium Lage der Plasmapause variiert mit geomagnetischer Aktivität: mit zunehmender geomagnetischer Aktivität schrumpft die Plasmasphäre, wird die Plasmapause schärfer. Ursachen: allgemeine Kompression des Feldes auf der Tagseite, Umstrukturierung im Schweifstrom auf der Nachtseite. Nach Chappell et al., 1970, J. Geophys. Res. 75, 50 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 36 Zusammenfassung 23.05.2005 Plasmasphäre (ionosphärisches Plasma) dominiert dicht an der Erde. An den polar cusps ist Sonnenwindplasma dominant. Im Schweif ist mit zunehmendem Abstand ebenfalls Sonnenwindplasma dominant. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 37 Plasmakonvektion Transport von Sonnenwindplasma in den Schweif durch Reconnection an der Tagseite, Konvektion der planetar/ipl. Feldlinie über Polkappe in den Schweif, Bildung planetarer Feldlinien durch Reconnection im Schweif, Rotation dieser Feldlinien auf die Tagseite. Beobachtung: Birkelandströme in der Ionosphäre Hughes, 1995, i nIntroduction to space physics, Cambridge Univ. Press 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 38 Modell http://nssdc.gsfc.nasa.gov/space/model/magnetos/data-based/modeling.html 23.05.2005 Achsenlage, ipl Feldkomponente – quiet reconnection, Substorm Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 39 Energietransfer Sonnenwindenergie wird in die Magnetosphäre übertragen: Dusk-Dawn-Feld, Konvektion über den Polkappen. Energieübertrag hängt von Polarität des ipl. Magnetfelds ab. Maximale Leistung in Magnetosphäre: Verhältnis Input/Sonnenwind: 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre Brekke, 1997, Physics of the upper polar atmosphere, Wiley 40 Flux-Transfer-Events Russel and Elphic, 1979, Geophys. Res. Lett. 6, 33 Russel and Elphic, 1979, Geophys. Res. Lett. 6, 33 Hinweis für Feldlinienverschmelzung auf der Tagseite: 23.05.2005 magnetosphärische Plasmaströme im Sonnenwind, interplanetare Plasmaströme in der Magnetosphäre. Magnetopausen-Crossing: grüner Kasten Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 41 Substorm (Hones Modell) Hones, 1984, Magnetic reconnection, AGU Geophys. Monogr. 30 23.05.2005 Reconnection Tagseite. Konvektion von Plasma auf die Nachtseite. Plasma sammelt sich auf der Nachtseite, `Entladung´ Nachtseite durch Reconnection im Schweif. Trigger: geomagnetische Störung. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 42 Hones Modell Beobachtungen Reconnection im Schweif: Plasma in Richtung Magnetosphäre, erzeugt Polarlicht. Plasma in Richtung ferner Schweif, sichtbar als Plasmablase. Scholer, 2003, in Energy conversion and particle acceleration in the solar corona, Lecture Notes in Phys. 612, Springer 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 43 Energietransfer SoWi-Magnetosphäre Energieinput aus dem Sonnenwind erfolgt kontinuierlich, allerdings moduliert durch ipl. Feld. Output im Schweif erfolgt 23.05.2005 in geringem Maße kontinuierlich (Überlauf), eruptiv getriggert durch geomagnetische Störungen. Energie kann über einen längeren Zeitraum akkumuliert und dann spontan frei gesetzt werden. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre Akasofu, 1989, EOS 70, 529 44 Reconnection in geschlossener Magnetosphäre Reconnection im Bereich der Polar Cusps auch bei geschlossener Magnetosphäre. Begründung: ionosphärische Teilchen im Magnetosheath. Konsequenz: es gibt keine geschlossene Magnetosphäre. Fuselier, 2001, J. Geophys. Res. 106, 5967 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 45 Feldlinienverschmelzung Polkappe Reconnection in geschlossener Magnetosphäre. Macht es dann überhaupt noch Sinn, von einer geschlossenen Magnetosphäre zu sprechen? Verknüpfung zwischen planetarem und interplanetarem Magnetfeld kompliziert und variabel. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/hawkeye/images/hawkeye_reconnection.gif 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 46 Geomagnetische Variationen Systematische Variationen: 23.05.2005 Tagesgang, Pulsationen, Variation mit dem Solarzyklus. Geomagnetische Stürme als Antwort auf Störungen im interplanetaren Raum. Polarlichter (eigentlich nur ein Unterpunkt zu geomagnetischen Stürmen, auf Grund der historisch früheren Untersuchungen allerdings meist separat gelistet). Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 47 Reguläre Variationen Tagesgang: bedingt durch Asymmetrie der magnetosphärischen Stromsysteme, insbesondere des Sq-Stroms. Indizes für Variationen: 23.05.2005 SFE (solar flare effect): Zunahme Sq-Strom durch Ionisation auf der Tagseite. K-Index: größte Abweichung einer Magnetfeldkomponente vom ruhigen Feld, jeweils lokal, 3h Mittel. Kombiniert zum globalen KIndex. a-Index: Kombination der 8 K-Indizes eines Tages. Dst-Index: Abweichung der horizontalen Feldkomponente am Äquator vom Erwartungswert (hängt mit dem Ringstrom zusammen) AE-Index: wie Dst, aber in hohen Breiten (Auroral Electrojet) Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 48 Geomagnetische Stürme sudden commencement: Zunahme magnetische Flußdichte durch Kompression beim Auftreffen einer Inhomogenität auf die Magnetosphäre. Abfall durch: 23.05.2005 Reconnection an der Tagseite und im Schweif, Veränderungen im äquatorialen Elektrojet durch Kurzschluss mit dem Schweifstrom und Restrukturierung der Strahlungsgürtel. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 49 Geomagnetische Aktivität und Solarzyklus 23.05.2005 erhöhte geomagnetische Aktivität im Fleckenmaximum (Quelle hauptsächlich Stoßwellen und magnetische Wolken im Zusammenhang mit CMEs) geomagnetische Aktivität verschwindet im Minimum nicht (CIRs bilden die Hauptquelle für geomagnetische Störungen). Geomagnetische Aktivität (Polarlichter) waren auch im MaunderMinimum nicht verschwunden. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 50 Jahreszeiten und CIRs zwei verschiedene CIRs (jeweils Anfang und Mitte der Rotation) erste CIR im Herbst geomagnetisch aktiv. zweite CIR im Winter und Frühjahr geomagnetisch aktiv. 23.05.2005 Crooker and Siscoe, 1986, in Physics of the Sun III, Reidel Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 51 Details CR 1921 erste CIR zweite CIR offene Magnetosphäre geomagnetische Störung hängt ab von SoWi und Richtung ipl Feld Burlaga and Lepping, 1977, Planet. Space Sci. 25, 1151 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 52 Aurora Optisches Signal in die Atmosphäre einfallender energiereicher Teilchen. Anregung oder Ionisation Atmosphäre. Strukturen durch Magnetfeldtopologie. Historisch: 23.05.2005 kämpfende Drachen (Chinesen), brennende Städte (Römer), Unglückszeichen im MA in Mitteleuropa, Fackeln in den Hand der Götter (Inuit), abgetriebene Vorfahren (Maori), merry dancers (Schottland) ...... Brekke and Egeland, 1983, Northern lights, Springer Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 53 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 54 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 55 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 56 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 57 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 58 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 59 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 60 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 61 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 62 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 63 Polarlichtoval http://www-spof.gsfc.nasa.gov/istp/polar/ 23.05.2005 Satellitenaufnahme: rückgestreutes UV-Licht Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 64 Aurora als Unglückszeichen Bamberg, 1560 Kongspeilet (1259): The men who have thought and discussed these lights have guessed at three sources, one of which, it seems, ought to be true. Some hold that fire circles about the ocean and all bodies of water that stream about on the outer side of the globe; and since Greenland lies on the outermost edge of the Earth to the north, they think that it is possible that these fires shine fourth from the fires that encircle the outer ocean. Others have suggested that during the hours of night, when the Sun´s course is beneath the Earth, an occasional gleam of light may shoot up into the sky, for they insist that Greenland lies so far out on the Earth´s edge that the curfed surface which shuts out the sunlight must be less prominent there. But there are still others who believe (and it seems to me not unlikely) that the frost and the glaciers have become so powerful there that they are able to radiate forth these flames. 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 65 Isochasmen 23.05.2005 Linien gleicher Häufigkeit des Auftretens schrecklicher Ereignisse Fritz, 1881, Das Polarlicht, Brockhaus Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 66 Wissenschaftlichere Beschreibung: Zusammenhang Magnetfeldstörungen Höhenverteilung (schließt Reflektion an Wolken aus) Linienspektrum (schließt Reflektion ebenfalls aus, erlaubt Identifikation der beteiligten Gase) 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 67 Birkeland´s Terrella Polarlichter entstehen durch energiereiche geladene Teilchen, die durch ein Magnetfeld auf bestimmte Bereich fokussiert werden, und beim Auftreffen auf einen Schirm (Atmosphäre) Licht erzeugen. Laborexperiment durch Birkeland 1908: http://www.uio.no/miljoforum/stral/t3/terrella.shtml 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 68 Aurora und Sonnenflecken Dalton Minimum Brekke nd Egeland, 1983, Northern Lights, Springer 23.05.2005 Polarlichter grob mit Solarzyklus korreliert. wie geomagnetische Störungen können Polarlichter auch im solaren Minimum auftreten (Ursache CIRs). Geringe Zahl Polarlichter im Dalton-Minimum: Polarlichter können als Proxy für solare Aktivität verwendet werden. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 69 Aurora - Tagesverlauf Cusps, Prezipation solarer energiereicher Teilchen und Sonnenwind Patches dominant diffuse Aurora, stabile Bögen geschwungene Bögen, complexere Muster aus Bändern 23.05.2005 Schlegel, 1992, in Plasmaphysik im Sonnensystem, BI Bögen driften westwärds, lösen sich in Patches auf Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 70 Energiereiche Teilchen in der MS Sonnenwind: bereits an der Magnetopause reflektiert, Eindringen nur in den Polar Cusps. Solare energiereiche Teilchen: wie Sonnenwind. galaktische kosmische Strahlung: globales Eindringen, aber Bahn durch Magnetosphäre verändert. gefangene Teilchen: Strahlungsgürtel. 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 71 Protonen > 30 MeV Protonen 0.1-5 MeV Strahlungsgürtel Bewegung beschrieben durch Longitudinalinvariante. Maximale äquatorialer Pitchwinkel: Bounce Period: Drift (Flußinvariante): äquatorialer Driftstrom: 23.05.2005 Elektronen > 1.6 MeV Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre Elektronen 0.04-1 MeV Kertz, 1971, Einführung in die Geophysik, BI 72 Verluste Strahlungsgürtel Verluste stets durch Streuung in den Verlustkegel und WeWi mit der Atmosphäre: Verlustkegel klein für r > 3 Erdradien. 23.05.2005 Ladungsaustausch mit Teilchen der Neutralatmosphäre, Coulomb-WeWi (Bethe-Bloch), nukleare WeWi (nur hochenergetische Teilchen). Verluste nehmen mit geomagnetischer Aktivität zu, da mehr Teilchen in den Verlustkegel gestreut werden. Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 73 Quellen Strahlungsgürtel Teilchenerzeugung: Paulikas and Blake, 1979, in Quantitative modeling of magnetospheric processes, Americ. Geophys. Union CRAND: cosmic ray albedo neutron decay, Rekombination in der äußeren Magnetosphäre und Ionisation auf der Tagseite in der inneren. Teilchentransport: während geomagnetischer Aktivität Zunahme Teilchenflüsse äußere Magnetosphäre (bei gleichzeitigen Verlusten in der inneren), Transport der Teilchen nach innen unter Beschleunigung (L-Schalen Diffusion). nach Frank et al., 1964, J. Geophys. Res. 69, 2171 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 74 L-Schalen-Diffusion plötzliche Kompression der Magnetosphäre weitet Verteilung räumlich auf und beschleunigt nach innen transportierte Teilchen. Betatron-Effekt gibt Beschleunigung durch Bewegung nach innen (senkrecht zum Feld). Fermi-Effekt (longitudinalinvariante) gibt Beschleunigung auf Grund des verkürzten Abstands zwischen den Spiegelpunkten. ⇒ Zerlegung adiabatic heating in parallele und senkrechte Komponente 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 75 Integration der Bewegungsgleichung, Bewegung abhängig von Teilchensteifigkeit, Auftreffpunkt auf die Magnetosphäre, Auftreffwinkel. generell: mit zunehmender Steifigkeit gelangen Teilchen in immer geringeren Breiten bis auf den Boden. 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre Hargreaves, 1992, Solar-terrestrial environment, Cambridge Univ. Press Størmerbahnen 76 Cutoff Cutoff Steifigkeit: minimale Steifigkeit, die ein Teilchen bei gegebener geomagnetischer Breite haben muss, um bis auf den Boden zu gelangen Äquator: 14.9 GV Variation mit geomagnetischer Breite mit cos^4 Huancayo 13 GV Climax 3 GV Moscow 2.4 GV Murmansk 0.6 GV Bazilevskaya, 2000, Space Sci. Rev, 94, 25 23.05.2005 Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 77 Polarkappenabsorption (PCA) Polarlichtoval Polakappe Polakappe Reid, 1986, Physics of the Sun III, Reidel 23.05.2005 Unterbrechung der Radiokommunikation über die Polkappe auf Grund einfallender solarer energiereicher Teilchen und der dadurch bedingten Ionisation. PCAs definieren gleichzeitig den Bereich, in dem solare Teilchen auf die Atmosphäre treffen können (→ Ozon, Kap. 10) Space Physics SS 2005 - Kap. 8: Magnetosphäre 78
