Kosmische Strahlung auf der Erde

Präsentation zum Thema: "Kosmische Strahlung auf der Erde"—  Präsentation transkript:

1 Kosmische Strahlung auf der Erde
Spektrum Zusammensetzung direkte Beobachtungsmethoden indirekte Beobachtungemethoden Magnetfelder (HE) Photon- und Neutrinodetektion

2 Luftschauer Experimente

3 KASKCADE („Knie“) KArlsruhe Shower Core and Array DEtector-Grande
200m x 200m (700m x 700m) Detektoren mit 13m Abstand 16 Hütten bilden einen unabhängigen Cluster Elektronikstation im Zentrum eines Clusters Zentraler Detektor in der Mitte des Feldes eV Streamertunnel für Myonen

4 KASCADE Grande

5 AUGER (1020eV) 1600 autarken, solarbetriebenden Oberflächendetektoren (SD) mit 1500 m Abstand 4x6 Floureszenz Detektoren (FD) 3000 km2 Detektorfeld 1450 m üNN Argentinien (Pampa)

6 Atmosphärische Zustandsgrößen
molekularen Eigenschaften der Atmosphäre Temperatur Druck Dichte atmosphärische Tiefe relative Luftfeuchtigkeit Heliumgefüllte Ballons bei 25 km üNN 1m3 Volumen Fallschirm zum Landen Vollautomatische Sensoren und kleine Radiosonden Speicherung der Daten alle 3-4s (8s max) LIDAR Technik zur Bestimmung der Lichtstreuung vom Schauer zum Teleskop

7 Elemente Zusammensetzung

8 Elemente Zusammensetzung
Kerne mit höherem Z haben bei gleicher Energy kleineren Gyroradius => KS bei hohen Energien besteht aus schwereren Kernen

9 Photonen und Neutrinos
Photonenlimits bei Energien 10, 20 und 40 EeV

10 Magnetfelder im Universum
Erdmagnetfeld Magnetfeld der Sonne Interplanetares Magnetfeld Galaktisches Magnetfeld Extragalaktische Magnetfelder Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ? Astronomische Objekte (Effizienz der Teilchenbeschleunigung)

11 Erdmagnetfeld Dipolfeld ähnlich wie Stabmagnet
Dipolachse und Erdachse leicht verschoben Pole wandern ca. 30 km pro Jahr Ursprung in rotierendem Eisenkern Äquator: 30mT oder 0.3 Gauß Mitteleuropa: 48 mT oder 0.48 Gauß

12 Erdmagnetfeld - Sonnenwind
Erdmagnetfeld reflektiert Sonnenwind Schockfront: Sonnenwind wird vom Erdmagnetfeld reflektiert Zwischen Schockfront und Erde liegt die Magnetosphäre

13 Sonnenwind Kosmische Strahlung von der Sonne
Niederenergetische Kosmische Strahlung Ionisiert Atmosphäre Sonnenwind wird komplett vom Erdmagnetfeld reflektiert Van Allen Gürtel: Hohe Konzentration an geladenen Teilchen im Magnetfeld der Erde Aurora Borealis (Nordlichter) Aurora Australis (Südlichter)

14 Geladene Teilchen im Magnetfeld
Gyroradius r [m] Ladung ze Magnetfeld B [T] Impuls P 300 MeV: 1 m (1T) 1020eV: 30kpc (3x10-10 T) Magnetische Steifigkeit R [V] 1pc = 3x10^13 km

15 Kosmische Strahlung (<104GeV)
Abschwächung bei E < 1GeV (103MeV) Effekt variiert mit Sonnenzyklus: Solare Modulation (~11Jahre) Steifigkeit (Rigidity) R = pc/ze = (A/z) (mpgvc/e) p = gAmpv rel. Dreierimpuls z Ladung A Massenzahl (A/z) ~ 2 Variiert mit Beobachtungsort

16 Erdmagnetfeld als Dipol
Ideales Dipolfeld Dipolmoment pm und m0/4p = 10-7 TmA-1 Achsen um ca. 11.5° verdreht Stormer Radius rs „Kreisbahnen um Dipolachse in Äquatorebene“

17 Ablenkung im Erdmagnetfeld
Positiv geladene Teilchen am Nordpol im Uhrzeigersinn auf Kreisbahn, von Osten nach Westen Für rs=rE (rE=6.38x106m) Positives Teilchen von Osten am Äquator braucht mindestens Steifigkeit Rs* um Erde zu erreichen

18 Allgemeine Formel q Zenithwinkel (Nadir q=180°)
l magnetische Breitengrad f Azimutwinkel f=0° Bewegung nach magnetisch Süden f=90° Bewegung nach magnetisch Westen f=270° Bewegung nach magnetisch Osten

19 Ost-West Effekt Für Teilchen aus dem Westen ist Cut-off kleiner für pos. KS Teilchen kommt horizontal am Äquator aus dem Westen 10.2 GV Teilchen kommt horizontal am Äquator aus dem Osten 59.6 GV

20 „Rigidity Cut-off“

21 Magnetfeld der Sonne Ruhige Sonne: Dipolfeld
Kehrt sich alle 22 Jahre um (11 Jahre Zyklus) 100 mT oder 1 Gauß Nur 0.01 nT in Erdnähe (Abfall mit 1/r3) Gemessen wird aber ~nT durch den Sonnenwind Aktive Sonne: Sonnenflecken: (0.4 T oder 4000 Gauss, Protuberanzen: Magnetschleifen in den Gas und Teilchen festgehalten werden Das Magnetfeld der ruhigen Sonne lässt sich durch ein Dipolfeld nähern. Es kehrt sich alle 22 Jahre um und ist die Ursache für den 11-Jahre-Zyklus der Sonne. Auf der Sonnenoberfläche ist das Magnetfeld etwa doppelt so stark wie das Magnetfeld auf der Erde. Es beträgt ca. 100 µT (1 Gauß). Gemäß der Dipolformel fällt es ~ 1/(Abstand)³ ab. In Erdnähe wirkt es sich nur mit einer Stärke von 0,01 nT aus. Das tatsächlich gemessene interplanetare Magnetfeld liegt aber bei einigen nT. Ursache dafür ist der Sonnenwind. Er entsteht durch außerordentlich starke lokale Magnetfelder auf der Sonne, die durch die Strömung der elektrisch leitenden Gase hervorgerufen werden. Die Leitfähigkeit des Plasmas im Sonneninnern entspricht dem von Kupfer bei Zimmertemperatur. In der Sonne zirkulieren elektrische Ströme in einer Größenordnung von 1012 Ampere. Das Innere der Sonne wirkt somit wie ein gigantischer Dynamo, der die Bewegungsenergie eines elektrischen Leiters in elektrische Energie und ein Magnetfeld umwandelt. Man geht derzeit davon aus, dass dieser Dynamoeffekt nur in einer dünnen Schicht am Boden der Konvektionszone wirksam ist. Sonnenflecken Sichtbare Auswirkungen der lokalen Magnetfelder sind die Sonnenflecken und die koronalen Masseauswürfe. Sonnenflecken sind relativ kühle Bereiche der Sonnenatmosphäre. Ihre Temperatur liegt zwischen 3700 und 4500 K. Durch spektroskopische Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass im Bereich der Sonnenflecken starke Magnetfelder vorherrschen. Die Spektrallinien von Elementen, die normalerweise bei einer Wellenlänge liegen, erscheinen bei Anwesenheit eines Magnetfeldes dreigeteilt (Zeeman-Effekt), wobei der Abstand der Linien proportional zur Stärke des Feldes ist. Die Magnetfeldstärke im Umfeld der Sonnenflecken kann bis zu 0,4 Tesla (4000 Gauß) betragen und ist somit tausendmal stärker als das irdische Magnetfeld an der Erdoberfläche. In der Sonne bewirken die Magnetfelder eine Hemmung der Konvektionsströmungen, so dass weniger Energie nach außen transportiert wird. Die dunkelsten und kühlsten Zonen auf der Sonne sind somit die Orte mit den stärksten Magnetfeldern. Sonnenflecken treten in Gruppen auf, wobei meistens zwei auffällige Flecken dominieren, die eine entgegengesetzte magnetische Ausrichtung aufweisen (ein Fleck ist sozusagen ein „magnetischer Nordpol“, der andere ein „Südpol“). Solche bipolaren Flecken sind meist in Ost-West-Richtung, parallel zum Sonnenäquator, ausgerichtet. Protuberanzen Protuberanz Zwischen den Flecken bilden sich Magnetfeldlinien in Form von Schleifen aus. Längs dieser Linien wird ionisiertes Gas festgehalten, das in Form von Protuberanzen oder Filamenten sichtbar wird (Protuberanzen sind Erscheinungen am Rand, Filamente auf der „Sonnenscheibe“). Protuberanzen sind Materieströme auf der Sonne, die am Rand der Sonnenscheibe als matt leuchtende Bögen beobachtet werden können, die weit ins All hinausragen. Oft haben sie eine Länge von einigen hunderttausend Kilometern, km Höhe und km Dicke. Man unterscheidet dabei zwischen ruhenden und eruptive Protuberanzen.

22 Interplanetares Magnetfeld
~ nT (10-9 T = 10-5 Gauß) Ursache ist der Sonnenwind Elektrisch Leitendes Plasma führt Magnetfeld mit sich Sonne wirkt wie ein MHD-Dynamo Schockfront begrenzt Heliosphäre Ein magnetohydrodynamischer Dynamo (oder auch MHD-Dynamo) erzeugt ein Magnetfeld durch eine Strömung elektrisch leitfähiger Materie. Eine theoretische Beschreibung liefert die Dynamotheorie. Die Magnetfelder der Erde, der Sonne, sowie anderer astronomischer Objekte werden durch Dynamoprozesse erzeugt. Prinzip [Bearbeiten] Das Prinzip eines Dynamos besteht darin, dass eine Strömung von elektrisch leitfähiger Materie (z.B. flüssiges Metall oder Plasma) in einem anfänglich vorhandenen Magnetfeld elektrische Ströme induziert. Diese Ströme sind ihrerseits wieder von einem Magnetfeld begleitet, welches – unter günstigen Bedingungen – das ursprüngliche Magnetfeld verstärken kann. Werden durch diese Verstärkung dissipative Verluste des Feldes ausgeglichen, kommt ein Dynamoprozess zustande. Hierbei wird Bewegungsenergie aus der Strömung in magnetische Energie transferiert.

23 Galaktische(s) Magnetfeld(er)
~3x10-10T = 3mG Halo (30kpc) Scheibe Magnetfeld folgt den Spiralarmen Ursprung noch nicht geklärt HI und HII Wolken 10 mal stärker Molekülwolken 100 mal stärker Zeeman Aufspaltung von OH Masern nur 10-7T in sehr kleinen Gebieten Galaxy Halo 50kpc

24 Beobachtung von galaktischen Magnetfeldern
Methode Anzeigendes Medium Aussage über a) Polarisation des Sternenlicht Staub Bs b) Zeeman-Effekt der 21cm Linie Neutraler Wasserstoff Bp c) Synchrotronstrahlung Relativistische Elektronen d) Faraday-Drehung Thermische Elektronen Unsöld-Baschek „Der neue Kosmos“

25 Polarisation des Sternenlichts
Staub absorbiert Sternenlicht Reemission als polarisierte Wärmestrahlung Staubteilchen in der Galaxie werden durch Magnetfeld ausgerichtet

26 Zeemaneffekt Spektroskopische Bestimmung des Magnetfeldstärke
Polarisation, Aufspaltung oder Verbreiterung der Spektrallinien Homogenes Feld mit etwa <10 Tesla spaltet Energieniveaus auf (Quantenzahlen L, S und J) „Russel-Sanders-Kopplung“ Effekt ist proportional zu B (2J+1) äquidistante Energiezustände mit magnetischer Quantenzahl –J<Mj<+J Energieverschiebung DE Für B=0.1T (1kG) und l0=500nm => Verschiebung um 1pm =10-3nm (Sonnenfleck)

27 Synchrotronstrahlung
B Magnetfeldstärke nr Dichte der relativistischen Elektronen s ~ 2.7 Exponent eines Potenzgesetzes der Elektronenverteilung Beobachtung im Radiobereich bei < 40GHz, wegen Abfall mit 1/n Abschätzung des mag. Energiedichte durch Äquipartition: Energiedichte der rel. Elektronen+Protonen ist gleich der Energiedichte des Magnetfeldes

28 Synchrotronbeobachtungen
Gesamte Radiostrahlung (Konturlinien) polarisierte Radiostrahlung (Striche) Galaxie M 51 gemessen mit den Radioteleskopen Effelsberg und VLA bei 3.6-cm-Wellenlänge. Das optische Bild im Hintergrund vom Hubble Space Telescope der NASA/ESA

29 Faraday-Drehung Drehung der Polarisationsebene Drehwinkel y [rad]
Wellenlänge l [m] Elektronendichte ne [m-3] Rotationsmaß RM [rad m-2] longitudinale Komponente Bp [T] Entfernung zur Radioquelle L [pc] Extragalaktische Objekte bis zu 300 rad m-2 Beobachtung bei verschiedenen Wellenlängen erhält man ausgangs PEbene, kennt man Elektronendichte unterwegs kann man B bestimmen

30 Extragalaktische Magnetfelder
Astronomische Objekte (Aktive Galaxienkerne aller Typen) Galaxienhaufen Galaxien-Superhaufen Voids ?

31 Magnetfelder im Universum