Das Erdmagnetfeld im Sonnenwind

Wolfgang Baumjohann
Transportprozesse
im erdnahen Schweif
Die Erdmagnetosphäre
Magnetosphäre: mit Plasma bevölkertes Erdmagnetfeld
· Sonnenwind und IMF können nicht in Magnetosphäre eindringen
· Sonnenwind umströmt gasdynamisch die Magnetosphäre
· Überschallströmung wird an Bugstoßwelle abgebremst
· Magnetopause ist Grenzschicht und Stromschicht
· Druckgleichgewicht: Dipolares Erdmagnetfeld wird verformt
e
Int
rp l
Bo
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e
Ma
k
c
o
h
S
Magnetosheath
Magnetosphere
Solar Wind
T
M a e rre st
g n e ri a l
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eld
M a g n e to p a u s e
1
Kopplung SonnenwindMagnetosphäre
Input: Vom Sonnenwind treffen 104 GW auf Magnetopausenquerschnitt
p ρυ3 D 2 ≈ 10 4 GW
· D ≈ 15 R , ρ ≈ 5 cm-3, υ ≈ 400 km/s Þ
E
2
Output: Etwa 500 GW werden in Magnetosphäre dissipiert (5%):
· Polare Ionosphäre Ü Joulesche Erwärmung
· Strahlungsgürtel Ü Ladungsaustausch mit Neutralteilchen
Mag
net
op
a
Lobe
e
us
Radiation Belt
Plasmasphere
Plasma Sheet
2
Plasma-Konvektion
Plasma: e – und p + im Ladungsgleichgewicht mit kollektivem Verhalten
Magnetohydrodynamik: Plasma wird als leitfähige Flüssigkeit angesehen
Konvektion: gemeinsame Bewegung von kaltem Plasma und Feldlinien
2
∆
∂B
=η
∂t
B + × (v × B )
∆
η → 0 ⇒ E +v × B = 0
· Wegen Stoßfreiheit sind Magnetfelder eingefroren
· Flußröhren (Plasma + Feldlinien) haben und behalten Identität
3
Feldlinien-Verschmelzung
Rekonnexion: Konzept der eingefrorenen Feldlinien wird verletzt
· Antiparallele Feldlinien werden aufeinander zu bewegt
· Starker konzentrierter Strom fließt in Grenzschicht
· Anomaler Widerstand durch Wellen führt zu lokaler Diffusion (B ® 0)
· Feldlinien werden an Neutrallinie aufgebrochen und neu verschmolzen
t<0
t=0
t>0
4
Standardbild
Magnetosphärische Konvektion wird durch Sonnenwind getrieben.
· An MP Verschmelzung dipolarer Feldlinien mit südwärtigem IMF
· Offene Feldlinien über Polkappe schweifwärts
· Rekonnexion zu Dipol- & SW-Feldlinien im fernen Schweif
· Geschlossene Feldlinien über Äquatorebene sonnenwärts
1
2
3
4
5
6
7
8
6
7
8
7
8
1
1
2
3
4
5
• Keine Rekonnexion Þ keine Konvektion bei nordwärtigem IMF
5
Innere Magnetosphäre
In innerer Magnetosphäre quasistatische Konvektion:
· GEOS-2 Elektronenstrahlexperiment mißt "Versetzung" des
Gyrationskreises von 1 keV Elektronen durch elektrische Drift
· Südwärtiges IMF: Konvektion in Richtung Magnetopause
· Nordwärtiges IMF: nur schwache Plasmabewegung
Southward IMF
15
12
18
21
Northward IMF
09
06
24
03
L=6.6
1000 m/s
500 m/s
· Mittelwerte für südwärtiges IMF entsprechen dem
6
Magnetosphärenschweif
Beobachtungen im Schweif mit IMP zeigen:
· Schnelle erdwärtige Konvektion bei 25 - 40 RE
· Konvektion wird weiter innen viel langsamer
Velocitiy in km /s
IMP
600
Earthward
400
200
0
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
Distance from Earth in Earth Radii
Druckkatastrophe:
· Adiabatische Konvektion: d /dt PV = 0 with V = ∫ B -1ds
γ
· Flußröhrenvolumen nimmt nach innen stark ab
· Konvektion stoppt, weil sonst Druckkatastrophe
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Erdnahe Rekonnexion
· Strecken der Feldlinien schwächt Druckgradient
· Rekonnexion verkleinert Flußröhrenvolumen
· Erdwärtiger Transport durch Plasmajets
· Strömungsumkehr bei Teilstürmen mit Geotail beobachtet
· Erdnahe Neutrallinie bei 20 - 30 RE
Geotail
Dawn
Fast Flow
0
Dusk
YGSM in RE
-10
+10
-10
-20
-30
-40
XGSM in RE
8
Nächstes Hindernis
· Meist langsame Strömung (20 - 50 km /s) bei 10 - 20 RE
· Intermittierend Hochgeschwindigkeits-Plasmajets (200 - 1000 km /s)
· Plasmajets begleitet von Dipolarisierung
Magn. Field Elevation in BZ /BXY
Ion Bulk Velocity in km/s
250.
200.
150.
100.
Earthward
50.
-30. -20. -10.
0.
10.
20.
Minutes Around Flow Burst
30.
IRM
0.4
0.3
0.2
Northward
0.1
-30. -20. -10.
0.
10.
20.
30.
Minutes Around Flow Burst
· Plasmajet wird bei 10 - 15 RE durch dipolares Feld plötzlich gebremst
· Zusätzliches Dipolfeld wird durch Strömung hinzugefügt
· Aufgebauter Druckgradient führt zur Teilsturmstromschleife
➃ substorm current wedge
➂ braking & dawnward current
➁ high-speed flow
➀ NENL
9
Erholungsphase
Plasmajets transportieren dipolares Feld nach innen
10%
5%
t = 45
2
0%
t = 15
1
5%
Pre-Onset
Elevation
0
11
16
21
26
½XGSM½ in RE
31
10%
11
Earthward
3
High-speed Flow Occurrence
t = 45
Tailward
Relative Magnetic Elevation
t = 15
16
21
26
31
½XGSM½ in RE
· 45 min nach Teilsturmeinsatz trifft Dipolarisationsfront auf Neutrallinie
· In dipolarem Feld kann Rekonnexion nicht arbeiten
· Neutrallinie löst sich ab, verschwindet schweifwärts (Plasmoid)
10
Zusammenfassung
· Plasmaenergie dominiert außerhalb von 30 RE
Þ Plasma kann ungehindert strömen
· Magnetische Energie nimmt zu bei 20-30 RE
Þ Strömung gebremst Þ X-Linie Þ Plasmajets
· Magnetfeld dominiert innerhalb 15 RE
Þ Dipolfeld bremst Plasmajet Þ Teilsturmeinsatz
· Dipolarisationsfront expandiert zur Neutrallinie
Þ Erdnahe Rekonnexion stoppt
Geotail
5
Flow Braking
Ion Beta
3
NENL
4
2
1
10
20
30
40
50
Radial Distance in RE
Weitere Teilsturmprozesse in innerer Magnetosphäre
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