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

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  Mobiltelefon:  +43 699 10149046

Inhaltsverzeichnis Seismo-magnetische Ereignisse Einleitung Was ist experimentelle Weltraumforschung Entwicklung eines Weltraumexperimentes Messung von Magnetfeldern auf der Oberfläche und in der Umgebung von Planeten, Monden, Asteroiden und Kometen sowie im interplanetaren Raum Grundlagen der physikalischen Weltraumforschung Instrumente zur Messung von Magnetfeldern Sonnenwind Kleine Körper im Sonnensystem Venus und Mars Seismo-magnetische Ereignisse Auswertung der Daten von Magnetfeldexperimenten Besprechung weiterführender Literatur

Einleitung Institutionen für die Durchführung von Weltraumexperimenten: Hochschul-und Akademie-Institute, nationale und internationale Organisationen( ASAP/FFG, DLR, ESA, NASA) Bedeutung terrestrischer und kosmischer Magnetfelder Grundlegende Prinzipien der Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder: Erforschung natürlicher Magnetfelder von Planeten, Monden, Kometen, Asteroiden und im interplanetaren Raum Magnetometer an Bord von Raumsonden, Satelliten, Raketen, Ballonen, Oberflächenstationen und Fahrzeugen Computerexperimente Datenauswertung

Was versteht man unter experimenteller Weltraumforschung? Messinstrumente befinden sich am Ort oder in der Umgebung des Geschehens (in-situ) 5

Instrumente auf Ballonen, Raketen, Satelliten und Lander Höhenforschungsraketen in der terrestrischen Atmosphäre Ballone in den Atmosphären der Planeten(Venus 1985) Satelliten im Orbit Interplanetare Sonden Landefahrzeuge (Lander)(Mond, Mars, Venus) Abstiegssonden(Titan Jupiter, 2005) 6

Computersimulationen Computermodell eines Weltraumexperiments Modell der Titanatmosphäre vor HUYGENS Vergleich von Daten mit Modellen

Weltraumorganisationen ESA NASA National: Russland China Indien Japan ...

Internationale Organisationen IAF COSPAR IAGA EGU AGU ...

Datenauswertung Zeitreihen: Atmosphärische Parameter Elektrische und magnetische Felder Radiowellen Bilder Auf der Suche nach Events(Blitze,Stoßwellen...) Statistische Analysen Spektralanalyse Vergleich mit physikalischen Modellen

Veröffentlichungen Seminare Konferenzen Workshops Proceedings Fachzeitschriften (referiert oder nicht referiert) Übersichtsartikel (reviews) Lehrbücher

Entwicklung eines Weltraumexperimentes Experimentelle, physikalische Weltraumforschung (interdisziplinär) Organisationen zur Durchführung von Weltraumprojekten Werdegang eines Projektes (Assessment, Phase-A, AO, Selection, Prototype, EM+FU+FS, Tests, Delivery, Flight- Data- Processing and Analysis

Einige typische Untersuchungsobjekte Der Sonnenwind Die Wechselwirkung des Sonnenwindes mit Objekten im Sonnensystem: Magnetosphären Blitze in der Atmosphäre von Planeten und Monden Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in der Ionospphäre und der Atmosphäre von Himmelskörpern Die elektrische Leitfähigkeit von Oberflächenmaterialien Der Zusammenhang von Erdbeben und elektro-magnetischen Phänomenen

Wichtige Messgrößen Magnetische Felder Elektrische Felder Temperatur Akustische Parameter: Druckschwankungen Elektomagnetische Wellen Elektrische Leitfähigkeit Dielektrizitätsko nstante Chemische Zusammensetzung: Massenspektrometer Kinetische Eigenschaften ionisierter Teilchen: Dichte, Geschwindigkeit, Masse und Temperatur

Durchführung eines Weltraumexperimentes Spezielles Vorgehen bei Nano-Satelliten ; TUGsat Ausschreibung einer Weltraumbehörde: ESA, NASA,… Ausarbeitung eines Vorschlages Die weltraumbehörde wählt den besten Vorschlag aus Entwicklung und Bau eines Labormodells Durchführung von terrestrischen Testmessungen (Labor, Ballone..) Bau des Flugmodells: minimale elektrische Leistungsaufnahme und Gewicht: Kosten? Umweltsimulationen: Beschleunigung, extreme Temperaturen, kosmische Strahlung Nach dem Start: Kalibrierung, Zeitreihe= Messungen + Zeitwerte + Position + Lage Auswertung der Zeitreihen: Vergleich mit Modellen, Entwurf neuer Modelle, Vergleich mit anderen Experimenten Veröffentlichungen

Instrumente zur Messung von Magnetfeldern Induktionsmagnetometer Protonenmagnetometer ("magnetisiertes Wasser") Fluxgate (Förstersonden) Optische Magnetometer

Prinzipschaltbild eines Fluxgate Magnetometers Ein weichmagnetischer Kern wird durch ein von einer Spule erzeugtes Wechselfeld mit konstanter Frequenz f0 (typisch 10 kHz) zyklisch bis zur Sättigung magnetisiert. In einer zweiten Spule wird eine symmetrische Spannung induziert, die nur ungeradzahlige Vielfache der Anregungsfrequenz enthält. Ein äußeres Magnetfeld verursacht eine Asymmetrie der induzierten Spannung und produziert damit geradzahlige Vielfache der Anregungsfrequenz, deren Amplitude ein Maß für das Magnetfeld ist. Um eine möglichst lineare Kennlinie zu erhalten, wird das äußere Magnetfeld durch eine Rückkopplung kompensiert. Durch drei orthogonale Fluxgate Sensoren kann der Vektor des Magnetfeldes vollständig gemessen werden. Der Vorteil gegenüber Induktionsmagnetometern (Messspulen) besteht darin, dass auch Gleichfelder gemessen werden können. Bei höheren Frequenzen (ab 10 Hz) ist allerdings das Induktionsmagnetometer empfindlicher. Im Vergleich zur Hallsonde ist das Fluxgate Magnetometer wesentlich empfindlicher, die Hallsonde ist aber zur Messung größerer Magnetfelder (ab 50000 nT) besser geeignet.

Helmholtz-Spulensystem Das Spulensystem dient zur Kompensation des Erdmagnetfeldes, um das magnetische Moment von Satellitenbaugruppen und Weltraumexperimenten zu bestimmen und zum Entmagnetisieren

Messung von Magnetfeldern an Bord von Satelliten und Raumsonden Allgemeine Anforderungen an Sensoren und Elektronik Magnetische Reinheit von Satelliten und Raumsonden Vorverarbeitung und Übertragung der Daten Der Einfluss der Lage und Position der Raumsonden auf die Messgenauigkeit Kurze Beschreibung der wichtigsten Weltraumprojekte

Messung von Magnetfeldern auf der Oberfläche und in der Umgebung von Planeten, Monden, Asteroiden und Kometen sowie im interplanetaren Raum Terrestrische Messungen (Erdmagnetfeld, Pulsationen, Schumann-Resonanz, CHIMAG) Space Weather Magnetische (Erde, Jupiter, Saturn...) und nichtmagnetische Planeten (Venus, Mars) Magnetfelder in der Umgebung von Asteroiden und Kometen (VEGA, ROSETTA) Magnetfelder und biologische Systeme

Auswertung der Daten von Magnetfeldexperimenten Zeitreihen (Rohdatenauswertung, Signalanalyse, Wavelets,..) Physikalische Interpretation Die Verwendung von Computer - Simulationen

Besprechung weiterführender Literatur Bücher Zeitschriften WWW Seminare Vorträge