Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder Sommersemester 2014 Lehrveranstaltung: 440.413 Dr. Konrad Schwingenschuh/ÖAW

Präsentation zum Thema: "Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder Sommersemester 2014 Lehrveranstaltung: 440.413 Dr. Konrad Schwingenschuh/ÖAW"—  Präsentation transkript:

1 Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder Sommersemester 2014 Lehrveranstaltung: 440.413 Dr. Konrad Schwingenschuh/ÖAW Konrad.schwingenschuh@oeaw.ac.at 23. Mai 2014 bis 28. Mai 2014 Folien © Dr. Konrad Schwingenschuh

2 ftp-Adressen Vorlesungsunterlagen: Powerpoint und Literatur: ftp://ftp.iwf.oeaw.ac.at/pub/schwingenschuh/vorlesung2014 Webseite: http://iwf.oeaw.ac.at Adresse: Dr. Konrad Schwingenschuh 1. Stock, 1c8 Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Abteilung für Experimentelle Weltraumforschung Schmiedlstrasse 6 A-8042 Graz Email: konrad.schwingenschuh@oeaw.ac.at Telefon: +43 316 4120-551 Fax: +43 316 4120-590 konrad.schwingenschuh@oeaw.ac.at Mobiltelefon: +43 699 10149046

3 Inhaltsverzeichnis Tag4 von 4 Magnetisches Moment Kleine körper im Sonnensystem Kometen Asteroiden Monde ROSETTA und PHILAE

4 Magnetisches Moment: Grundlagen Erster Term bei einer Multipol Entwicklung (Stromsystem, magnetische Materialien) Elementare Quelle von Magnetfeldern(kein magnetischer Monopol) Symmetrisches Magnetfeld bezüglich der Dipolachse Dipolmoment M: Stärke eines Dipols (Am^2, Vsm oder Gcm^3) Zeitlich veränderliche Dipole erzeugen elektromagnetische Wellen Beschreibung planetarer Magnetfelder: Stärke, Lage und Richtung eines Dipols Dipol, Quadrupol,...

5 Permeabilität B = mu_0 * (1 + chi) * H = mu_0 * mu_r * H; mu_r.. relative Permeabilität - chi > 0.. Paramagnetismus (Sauerstoff, Alkalimetalle) - chi < 0.. Diamagnetismus (Wasserstoff, Wasser) - chi >> 0.. Ferromagnetismus (Eisen)

6 Das magnetische Dipolmoment M Beispiel: Stromschleife, "kleine" Magnete: - erste Hauptlage H(1) prop 2*M / r^3 - zweite Hauptlage H(2) prop M / r^3 - allgemeiner Fall H_r = 2*M*cos(theta) / r^3; H_theta = M*sin(theta) / r^3 Allgemeine Vektor-Formel H = 1/4pi * (3(M r)r/r^5 – M/r^3) Beispiel für einen magnetischen Dipol, kleine Spule mit Radius R und N Windungen M = "Fläche" * "Strom" * "Windungszahl" = N*pi*R^2*I

7 Feldlinienbild eines Dipols

8 Elektrische und magnetische Einheiten und Umrechnungen [H] = A/m; [B] = Vs/m^2=T; T... Tesla; Nano-Tesla = Gamma [mu] = Vs/Am; mu_0 = 4*pi*10^-7 Vs/Am [M] = Am^2 [E] = V/m [sigma] = S/m ; Siemens S = 1/Ohm Gauss: 1G = 10^-4 T = 10^5 nT Oersted: 1Oe = 10^3 / (4*pi) A/m magnetisches Moment: Gcm^3 = mAm^2; Tm^3 = 10^10 Gcm^3

9 "Zugeschnittene Gleichungen" Feld eines linearen Leiters: B[nT] = 20 * I[mA] / r[cm] Feld eines Dipols in erster Hauptlage: B[nT] = 10^5 * M[mAm^2] / r^3[cm] *2 (in 2-ter Hauptlage die Hälfte). Stoßzahl Elektronen-Neutralteilchen Nu [s^-1]= 6.41 * 10^5 * P[Nm^-2]; P.. Druck Elektr. Leitfähigkeit sigma = (N * e^2) / (m * Nu) Sigma [s/m]=2.84*10^-3 * N [1/cm^-3] / Nu [1/s] Beispiel: Magnetfeld einer einzigen Stromschleife mit 1cm^2 und einem Strom von 100 mA in 10 cm Entfernung: B = 1 nT

10 Natürliche elektrische und magnetische Felder sowie magnetische Momente Magnetisches Moment der Erde: M = 8*10^25 Gcm^3 Magnetisches Moment von Mars: M ca. 1.6 * 10^16 Am^2 (Paper Acuna; MGS) Obere Grenze für globales Mars Dipolmoment ca. 10^19 Am^2 Mond hat kein flüssiges Inneres  keine internes Magnetfeld, allerdings magnetische Anomalien Magnetar (rotierender Neutronenstern mit superstarkem Magnetfeld) B ca. 800*10^12 G = 8*10^10 T Maximalwerte im Labor: B ca. 100 T

11 Natürliche elektrische und magnetische Felder sowie magnetische Momente Leitfähigkeit von Meerwasser einige S/m: sigma ca. 4.4 S/m (für niedrige Frequenzen, dh. Schumann Resonanzen und bei üblichem Salzgehalt) Modifizierte Leitfähigkeitsformel von Drude (1900); (Ref. Jackson Seite 312) : sigma = (fo*N*e^2)/(m(gamma_0-i*omega)); (fo*N … Anzahl der freien Elektronen pro Vol.; gamma_0/fo...Dämpfungskonstante) z.B. Kupfer N ca. 8*10^28 Atome/m^3, sigma ca. 5.9*10^7 S/m  gamma_0/fo = 4*10^13 1/s Abschätzung der elektrischen Leitfähigkeit vom Saturnmond Titan: sigma = (N*e^2)/(m*Ny); Ny... Stoßzahl [1/s] (wird aus Druck berechnet) Beispiel Mars: Höhe=100 km; Elektronendichte = 1.16e+010 1/m^-3 Nu = 1.78e+005 1/s  Sigma=1.84e-003 S/m

12 Globale elektrische Leitfähigkeit Magn. Fluktuationen und Sprünge des interplanetaren Magnetfeldes werden durch die elektr. Leitfähigkeit von Himmelskörpern durch magn. Diffusion gedämpft. Die Bestimmung erfolgt mittels Orbiter- und Lander- Magnetometer. Die Abschätzung der Leitfähigkeit erfolgt durch die Relation Sigma = tau / (mu_0 * L^2) ; tau... char. Diffusionszeit [s]; L... Durchmesser des Himmelskörpers (char. Länge) Beispiel: Rosetta (Kometenkern), Galileo (mögliche Ozeane auf Jupitermonden Europa, Ganymede, Callisto), Mond (Apollo 12 und Explorer 35)

13 Besprechung weiterführender Literatur Bücher(W. Kertz: Einführung in die Geophysik, BI Taschenbuch, 2 Bände) Zeitschriften WWW Seminare Vorträge

14 Literatur W. Kertz: Einführung in die Geophysik Bd.1 u. 2, B.I.-Wissenschaftsverlag W. Baumjohann, R. Treumann: Basic Space Plasma Physics, Imperial College Press, 1996 M. Kivelson, Ch. Russel: Introduction to Space Physics, Cambridge University Press, 1995 Diplomarbeiten: W.Magnes ( MAREMF- Mars1996) A. Valavanoglou ( Digitalmagnetometer) H.Schwarzl ( IMF-Toolbox, MATLAB) Dissertationen W.Magnes ( CHIMAG) H. Feldhofer ( magnetische Reinheit, MMS)

15 WWW Lehrbuch über Space Physics : http://www.oulu.fi/~spaceweb/textbook/ IWF http://www.iwf.oeaw.ac.athttp://www.iwf.oeaw.ac.at European Space Agency http://www.esa.inthttp://www.esa.int NASA Spacescience http://spacescience.nasa.gov/http://spacescience.nasa.gov/ Austrian Space Agency http://www.asaspace.at/http://www.asaspace.at/ Vorlesung 1999 http://saturn.iwf.oeaw.ac.at/iwfmag/vorles99/http://saturn.iwf.oeaw.ac.at/iwfmag/vorles99/ Vorlesung 2003 http://ftp.iwf.oeaw.ac.at/pub/schwingenschuhtp://ftp.iwf.oeaw.ac.at/pub/schwingenschuh