Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder Sommersemester 2014 Lehrveranstaltung: Dr. Konrad Schwingenschuh/ÖAW 23. Mai 2014 bis 28. Mai 2014 Folien © Dr. Konrad Schwingenschuh

ftp-Adressen Vorlesungsunterlagen: Powerpoint und Literatur: ftp://ftp.iwf.oeaw.ac.at/pub/schwingenschuh/vorlesung2014 Webseite: Adresse: Dr. Konrad Schwingenschuh 1. Stock, 1c8 Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Abteilung für Experimentelle Weltraumforschung Schmiedlstrasse 6 A-8042 Graz Telefon: Fax: Mobiltelefon:

Projekte Auswahl: Internet, Ausschreibung von Diplomarbeiten und Dissertationen Eigene Ideen und Vorschläge Randbedingungen: Finanzierung, Familie Individuelles Arbeiten Teamarbeit (what is on your plate) Dokumentieren: von der Ideensammlung bis zur Publikation Elektronische Zettelkästen, Logbücher Datenbanken: Endnote, Reference Manager

Veröffentlichen 1 Diskutieren, Gespräche: Wissenschaft entsteht im Gespräch (Heisenberg 1928) Seminarvorträge Diplomarbeiten und Dissertationen Poster und Vorträge auf Konferenzen, Proceedings (nicht referiert) Zeitschriftenbeiträge (referiert): Buch, WWW, CD/DVD Übersichtsartikel (Reviews) und Buchbeiträge Lehrbücher, Web-Publikationen versus klassische Medien Vorlesungen und Skripten

Veröffentlichen 2: Literatursuche Freie Online Journale: NHESS, ANGEO Online Journale über Bibliotheken oder gegen Bezahlung: e&i Print-Journale Ältere Journale oder Bücher in Bibliotheken Wichtige Verlage: IEEE, AGU, EGU, Springer

Veröffentlichen 3: Struktur einer Publikation Title, Authors, Affiliation Abstract Introduction, Methods Results, Discussion and Outlook Acknowledgement, Appendix References

Veröffentlichen 4: Referee procedure und impact Meistens 2 Begutachter (Referees), Beide Gutachten sollen positiv sein Falls notwendig: Publikation ändern und wieder einsenden, Editor entscheidet über Annahme oder Ablehnung Falls abgelehnt: andere Zeitschrift versuchen Ranking von Journalen: Impact factor Institute for Scientific Information (ISI) Web of Science Ranking von einzelnen Publikationen: Zitierhäufigkeit und Zeitraum Beispiel aus Wikipedia: Die Berechnung des Journal Impact Factors (JIF) erfolgt innerhalb einer Drei-Jahres-Spanne nach folgender Formel: Zahl der Zitate im Bezugsjahr auf die Artikel der vergangenen zwei Jahre, Zahl der Artikel in den vergangenen zwei Jahren}} Daraus folgt: Es kann keinen Journal Impact Factor für das laufende Jahr geben. Beispiel: Eine Zeitschrift hat in den Jahren 2006–07 insgesamt 116 (A) Artikel publiziert, im Jahr 2008 wurden Artikel aus dieser Zeitschrift in insgesamt 224 (B) Publikationen zitiert, daraus ergibt sich ein Impact Faktor 2008 der Zeitschrift von 1,931 (B/A).

Daten auswerten, dargestellt am Beispiel von Seismo- elektro-magnetischen Studien 1: Einleitung Ereignisse wevents) vorgegeben: L‘Aquila im April 2009 Ereignisse werden gesucht: Blitze am Saturnmond Titan Erstellung eines physikkalischen Modells vor und nach dem Ereignis: sub-ionosphärische und ionosphärische Wellenausbreitung) Lithosphärische – ionosphärische Kopplung

Datenauswertung : ULF Übersicht ULF Studien: Ein Jahr vorher kein ähnliches Signal ULF Precursor 1 Woche vor dem Erdbeben Verhältnis von vertikaler zu horizontaler Komponente im Spektralbereich: Polarisation Einfache Hayakawa Methode funktioniert nicht Normierung der Komponenten: bessere Ergebnisse Mögliche Erklärung: leitfähige Schicht von etwa 1 S/m in 1 km Tiefe

Datenauswertung : VLF Übersicht Radioverbindung: Sender – Erdbeben Empfänger : Abweichung von mittlerer VLF Amplitude VLF Sonnenauf- und Untergang (TT Methode) Schwankungen der Phase Simulation des Wellenleiters Sizilien-Aquila-Graz

Why we are studying seismo-electromagnetic VLF/ULF disturbances Why we are studying seismo-electromagnetic VLF/ULF disturbances? 1. The largest number of events were reported where pulse-like signals and noises enhanced few weeks-hours before an impending earthquake in VLF range and ELF range. 2. The generation of radio emission under pressure in a rock sample is well- established fact in laboratory experiments.

Grazer Forschungen: Seismo-Elektro- Magnetismus Diplomarbeit Prattes 2007 Erste Publikation des Grazer Teams in NHESS im Mai 2008 Zusammenhang von ULF und Erdbeben in Mittel-und Südeuropa Berechnung der ULF Quelle in der Lithosphäre Horizontale Magnetfeldschwankungen: Quelle in der Ionosphäre Horizontale Magnetfeldschwankungen: Quelle in der Lithosphäre SEGMA Mehrpunktmessungen Wichtige Kenngröße: Polarisation (vertikale Leistung/horizontale Leistung) Gemeinsame Satelliten-Bodenbeobachtung geplant (DEMETER und SEGMA) VLF Station seit 2008: Empfang von 12 europäischen Radiosendern von 10 bis 50 kHz DEMETER VLF Empfänger: Auswertung seit 2004

Electromagnetic waves produced by microfractures Physical model of seismomagnetic ULF- fluctuations by O. Molchanov and M. Hayakawa (1996). Electromagnetic waves produced by microfractures. Fracture size:10 -4 m – m Time scale:10 -4 s – s Velocity of opening:10 3 m/s. Wideband electromagnetic noise Damping of broadband electromagnetic waves, cutoff frequency ~1Hz.

Skin depth und maximale Frequenz Delta= sqrt(2/(mu*sigma*2pi*f)) Delta...skindepth Mu...Permeabilität Sigma...elektrische Leitfähigkeit F...Frequenz Auflösung der obigen Formel nach f: Delta=10 km, signa= 10e-3 S/m, mu=mu0 Ergibt eine Frequenz von etwa 1 Hz

Seismomagnetic observations by Hayakawa 1996 Guam earthquake 1993, Ms = 7.1. Three ULF bands: 10 – 50mHz, 50 – 100mHz, 100 – 450mHz. Key parameter: Ratio of vertical and horizontal field component (polarization). Typical seismomagnetic amplitudes in the 10 – 50mHz band: 0.1nT(Z- comp.) Typical polarization ratio (Z/H): 1.5.

ULF/ELF elektromagnetische Signale Man-made magnetic contamination in the ULF range ( Hz; Villante et al., 2004): vertical component affected, weekend-effect Lightning (up to 40 MHz)related events Schumann resonances: 8 Hz, 1 pT, 0.5 mV/m Whistler: around 10 kHz Geomagnetic pulsations: 1 – 100 mHz, 1 nT

Seismomagnetische Events? The 1993Guam earth quake: Hayakawa and Molchanov 1994 Large earthquake on 8-August 1993, Ms= 7.1 ULF station 65 km from epicenter Polarization (z/H): ULF or seismic origin Magnetic precursors 1 month and 5 days before 0.1 nT noise-like z/H signals from 0.02 – 0.05 Hz The April earthquake in L‘aquila: m=6.3 ULF and VLF precursors ULF station Only 6km to the epicenter VLF radio paths from Sicily and Sardinia to Graz and Moscow (ultramsk receivers) DEMETER VLF observations Radon observations

L‘aquila 6 April 2009: introduction On 6-April-2009: a M=6.3 earthquake (EQ) hit L‘Aquila and surroundings (Central Italy) causing 300 deaths and more than homeless. Several seismo-magnetic and seismo-electromagnetic methods have been applied: Ground based VLF radio links crossing L‘Aquila using European transmitters. VLF signals of terrestrial transmitters and natural ionospheric emissions received onboard the micro satellite DEMETER. ULF measurements in the frame of the South European Geomagnetic Array (SEGMA) with Stations in Italy, Bulgaria and Hungary. The ULF station‘s Distances to the epicenter: 6, 420, 630 and 890 km. Anomalies in the TEC chart before EQs. Preperation of a magnetic field experiment aboard a future chinese satellite Modifications of existing VLF computer models.

Sub-ionospheric wave propagation Sketch of wave propagation from transmitter (left) to receiver (right) in the Earth-ionosphere waveguide

Ionospheric parameters Electron density between 60 and 1000 km; Letters D, E, F1, F2 indicate ionosphere layers day – night differences in electron density Densityies for sunspot max and min Conductivity of ionosphere Between 40 and 70 km theoretical; experimental; day; night; solar activity (quiet; active)

21IWF/ÖAW GRAZ SEGMA ULF & VLF stations - L’Aquila EQ Fig. 1 The SEGMA ULF chain (yellow, green) and the VLF transmitter (T) and receiver stations (R) in Austria

Graz VLF receiver UltraMSK Phase and amplitude logger 15 channels can be received simultaneously Frequency range: 10 – 50 kHz 20 sec sampling time Data storage: Graz ftp-site Daily plots

23IWF/ÖAW GRAZ Graz VLF Receiver: Sample Plots Graz VLF Station, 8 channels

24IWF/ÖAW GRAZ Graz VLF Receiver Graz VLF Antenna System