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Physik des Weltraumwetters:yDer erdnahe Raum
• Das Erdmagnetfeld: Entdeckungsgeschichte• Magnetosphäre - offene und geschlosseneg p g• Strukturen in Feld, Plasma Teilchen• Diskontinuitäten: Stoßwellen und Grenzschichten• Stromsysteme, Magnetfeldlinien-parallele Ströme• Strahlungsgürtel und Ringstrom• Geomagnetische Stürme• Magnetschweif und Teilstürme• Ionosphäre und Plasmasphäre• Plasmen und Dynamik des erdnahen Raums
Der erdnahe Raum
Quelle unseres Wissens: Satelliten
Satelliten-Blick auf das Nordlicht
Entdeckungsgeschichte• Galilei (1564-1642) benante die Aurora nach röm. Göttin• Gilbert (1600): Erdmagnetfeld dipolar
G h (1722) E d tf ld itl i b l• Graham (1722): Erdmagnetfeld zeitl. variabel• Gauss (1838): Inneres und äußeres Erdmagnetfeld• Carrington (1859): Geomagnetische Aktivität und SonneCarrington (1859): Geomagnetische Aktivität und Sonne• Kelvin (1892) falsch: „... ist nicht von Sonne abhängig“• Birkeland (1867-1917):
• Terella Experiment elektrischer Ladungen im Magnetfeld• Aurora erzeugt durch electrisch geladene Teilchen
Ch (1930) K i d d h St ö• Chapman (1930): Kompression und erdnahe Ströme (falsch: Ströme wegen atmosphärischer Bewegungen)• Bierman (1951), Alfven (1957), Parker (1958):Bierman (1951), Alfven (1957), Parker (1958):
Sonnenwind aus magnetisiertem Plasma • Dungey (1961) Offene Magnetosphäre durch Rekonnexion• Axford and Hines (1961) Viskose Wirkung des Sonnenwinds
Geschlossene MagnetosphäreEin unendlich leitfähigerleitfähiger Sonnenwind strömt auf die magnetisierte Erde -> GeschlossenenGeschlossenen Magnetosphäre(1950ties):(1950ties):
[Chapman and Ferraro, 1930](Solar wind - Stream“ - from the left(Solar wind - „Stream - from the lefttoward the „Earth“– mirrored words)
Viskose Wechselwirkung (1961)g ( )
Konvektion durch viskose (zähe) Wechselwirkung des Sonnenwinds mit demmit dem Erdmagnetfeld [Axford and Hines, [ o d a d es,1961]
Offene Magnetosphäre [Dungey,1961]Zwei Zustände(A) Südwärts
gerichetes Interplanetes B-Feld -> starkeFeld -> starke Rekonnexion an Tagseite bestimmt Konvektion
(B) Nordwärts ger.(B) Nordwärts ger. Interplanetares B-Feld -> R k iRekonnexion nur hinterm Horn („Cusp“) der („ p )Magnetosphäre,
Aktuell: Teil-geöffnete Magnetosphäre, sowohl Rekonnexion als auch Konvektionsowohl Rekonnexion als auch Konvektion
Bug-Stoßwelle entdeckt in den 1960ern
Stoßwellen in Magnetoplasmeng p
„Magnetopause“Left figure: “Closed”Closed magnetosphere inside the blue dashed „magnetopause“
Right figure:Right figure: Red: „Open“ magnetospheric g pfield lines:Reconnection connects
Magneto-plasma Diskontinuitäteng p
<- Geschlossene Magnetosphäre
0= 0
Offene Magnetosphäre ->
Magnetfluß-Transfer an Magnetopause
Innere Struktur der MagnetosphäreHigh latitudes: R tiReconnection dominates at large scaleslarge scales and for IMF < 0
IMF > 0 andlow latitudes:Th iThe viscous interaction dominates,dominates, reconnection only at small scales
Magnetosphärische Ströme
Energiereiche Teilchen: Gyration und Spiegelbewegung in B-Feld
Adiabatische Invarianten erlauben Verständnis
Strahlungsgürtel und Ringströme
Strahlungsgürtel entdeckt 1958 durch Explorer 1 / van Allen,f ( )gefangene energiereiche (keV – MeV) Elektronen, die in der
MSP beschleunigt wurden.
Ringstrom und geomagnetische Stürme
The horiontalcomponent ofcomponent ofthe geomagnetic field, measuredl thalong the
equator and than averagedgaround the globe providesthe measure Dstthe measure Dstof the strengthof the storm-time distortion of the magnetospheremagnetosphere
Physik des Teilsturms
Teilsturm-DynamikTeilsturm-Dynamikyy
Teilstürme und Aurora-ElektronenTeilstürme und Aurora-Elektronen
Enhanced Enhanced westward electrojetin theionosphere
westward electrojetin theionosphere
jRjRjRjR
Reference: R. L. McPherron, Magnetospheric substorms, Rev. Geophys. Space Phys., 1979.Reference: R. L. McPherron, Magnetospheric substorms, Rev. Geophys. Space Phys., 1979.
Bildung der IonosphäreNeutral atmosphere and ionosphere are stratified
di t th kaccording to the known barometric density law
hwhere
H= kBTn/mngis the barometric scale height Solar ultraviolet radiation impinges
at an angle χν, the radiation is than g is the gravitational acceleration at z = 0
n is the plasma or the
absorbed in the upper atmosphere where it creates ionization (also through electron precipitation). n0 is the plasma or the
neutral density at z = 0
g p p )
I∞ is the flux on top of the layer.
Dämfung der solaren UV -StrahlungAccording to radiative transfer theory, the incident solar radiation is diminished with altitude along the ray path in the atmosphere:
Here σν is the radiation absorption cross section for radiation (a photon) of the frequency ν. Solving for the intensity yields:( p ) q y g y y
This reveals an exponential decrease of the intensity of the solar ultraviolett radiation with height, the dashed line in the next figurein the next figure.
Bildung der Chapman SchichtThe number of electron-ion pairs locally produced by UV ionization, the photoionization rate per unit volume qν(z), is proportional to the ionization efficiency κ and absorbedproportional to the ionization efficiency, κν , and absorbed radiation: qν(z) = κν σνnnI(z). This gives the Chapman production function, quoted and plotted below.
The location of theionization maximumionization maximum varies with time, season etc. Due to its importanceDue to its importance for radio propagation itwas called the F-layer,l t D d E llater D and E layers were discovered as well
Plasmasphäre & korotierendes Plasma
Von der Atmosphäre zur MagnetosphäreBesides the F-layer ionization maximum there
th id iare other, side-maxima,permanent and temporary ones (D, E) in the ionosphere
at the F-layerheightg
The neutral gas densityThe neutral gas density decreases with height,The degree of ionization rises to almost 100 % in theto almost 100 % in the magnetosphere.The abundance of H+ rises
ith h i ht l th bwith height, also the number of He++ (solar origin), while The O+ abundance decreases
Plasmen im erdnahen Raum
Erdnaher Raum: Simulierte Dynamik… Realzeitsimulationen: