Die Magnetosphäre

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
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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
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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
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Polarlichtoval
http://www-spof.gsfc.nasa.gov/istp/polar/
„
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Satellitenaufnahme: rückgestreutes UV-Licht
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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.
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Isochasmen
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Linien gleicher Häufigkeit des
Auftretens schrecklicher Ereignisse
Fritz, 1881, Das Polarlicht, Brockhaus
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Wissenschaftlichere Beschreibung:
„
„
„
Zusammenhang Magnetfeldstörungen
Höhenverteilung (schließt Reflektion an Wolken aus)
Linienspektrum (schließt Reflektion ebenfalls aus,
erlaubt Identifikation der beteiligten Gase)
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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
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Aurora und Sonnenflecken
Dalton Minimum
Brekke nd Egeland, 1983, Northern Lights, Springer
„
„
„
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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.
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Aurora - Tagesverlauf
Cusps, Prezipation solarer energiereicher
Teilchen und Sonnenwind
Patches dominant
diffuse Aurora,
stabile Bögen
geschwungene Bögen,
complexere Muster aus
Bändern
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Schlegel, 1992, in Plasmaphysik im Sonnensystem, BI
Bögen driften westwärds,
lösen sich in Patches auf
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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.
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Protonen > 30 MeV
Protonen 0.1-5 MeV
Strahlungsgürtel
„
Bewegung beschrieben durch
Longitudinalinvariante.
Maximale äquatorialer Pitchwinkel:
„
Bounce Period:
„
Drift (Flußinvariante):
„
äquatorialer Driftstrom:
„
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Elektronen > 1.6 MeV
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Elektronen 0.04-1 MeV
Kertz, 1971, Einführung in die Geophysik, BI
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Verluste Strahlungsgürtel
„
Verluste stets durch Streuung in den Verlustkegel und WeWi mit
der Atmosphäre:
Verlustkegel klein für r > 3 Erdradien.
„
„
„
„
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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.
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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
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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
„
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„
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.
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Hargreaves, 1992, Solar-terrestrial environment, Cambridge Univ. Press
Størmerbahnen
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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
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Polarkappenabsorption (PCA)
Polarlichtoval
Polakappe
Polakappe
Reid, 1986, Physics of the Sun III, Reidel
„
„
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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)
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