Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder Sommersemester 2012 Lehrveranstaltung:  440.413 Dr. Konrad Schwingenschuh/ÖAW 6. März 2012 bis 16. März 2012 Folien © Dr. Konrad Schwingenschuh

ftp und WWW -Adressen ftp://ftp.iwf.oeaw.ac.at/pub/schwingenschu/vorlesung2012_440.413_Magnetfelder Webseite: http://www.sem.iwf.oeaw.ac.at http://www.iwf.oeaw.ac.at Adresse: Dr. Konrad Schwingenschuh 1. Stock, 1c6  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 Einleitung Entwicklung eines Weltraumexperimentes Messung von Magnetfeldern auf der Oberfläche und in der Umgebung von Planeten, Monden, Asteroiden und Kometen sowie im interplanetaren Raum Seismo-magnetische Ereignisse Grundlagen der physikalischen Weltraumforschung Instrumente zur Messung von Magnetfeldern Auswertung der Daten von Magnetfeldexperimenten Besprechung weiterführender Literatur Schwerpunkte 2012: Magnetische Reinheit und Seismo-Magnetism

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

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

Grundlagen der physikalischen Weltraumforschung Physikalische Grundlagen Der Sonnenwind und seine Wechselwirkung mit Objekten im Sonnensystem Das Magnetfeld der Erde und anderer Körper im Sonnensystem

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

Die in Graz entwickelte Datenerfassung für das CLUSTER-II Magnetfeldexperiment ab 2000 FGM.

Wechselwirkung des Sonnenwindes mit der Erde

Ballerinamodell des interplanetarischen Magnetfeldeskurz IMF vor einem Aktivitätsminimum Koronalöcher mit offenen Magnetfeldstrukturen an den Polen Der Sonnenwind transportiert diese Magnetfelder in den interplanetaren Raum Bildung des spiralförmigen IMF mit Sektorstruktur Entdeckung durch IMF durch Moman Ness Erdbeobachter sieht eine Folge von Gebieten mit positiver und negativer Polarität In der Umgebung des Sonnenäquators befinden vorwiegend geschlossenen Magnetfeldstrukturen. Modulierung der kosmischen Strahlung durch interplanetare / planetare Magnetfelder

Magnetísche Mehrpunktmessung in der Umgebung der Venus Magnetfeldaten von VENERA-13 und PVO (PIONEER VENUS ORBITER) vom 11. Februar 1982 in der Umgebung der Venus. Der ungewöhnliche Anstieg des interplanetaren Magnetfeldes (IFE...Interplanetary Flux Enhancement) wurde als Signatur eines vorbeiziehenden Kometen interpretiert.

Kometenkern Kometen (von griech. kóme „Haar“: Haarsterne, Schweifsterne) sind kleine Körper des Planetensystems, die in Sonnennähe große Mengen flüchtiger Gase und von ihnen mitgerissene feste Teilchen freisetzen, wodurch sie verschwommen und mit einem leuchtenden Schweif in Erscheinung treten. Foto: ESA Halley Kern

Grazer Magnetfeldmessungen während des VEGA-1 Vorbeifluges am Kometen Halley im März 1986 Das obere Teilbild zeigt die Bahn der VEGA-1 Raumsonde und die Bugstoßwelle des Kometen Halley. Die Änderung der Polarität der Bx Komponente und der Anstieg des Magnetfeldbetrages währen des Vorbeifluges ist typisch für die Wechselwirkung des Sonnenwindes mit Kometen. Die unterste Zeitreihe zeigt das Ergebnis der an Bord durchgeführten Spektralanalyse. Damit konnten Informationen über höhere Frequenzbereiche zur Erde übertragen werden.  

Magnetfeld in der Umgebung des Planeten Mars: Induziert und Anomalien Das Magnetfeld in der Umgebung des Planeten Mars gemessen vom Grazer Magnetometer an Bord von PHOBOS-2.

Messung erdmagnetischer Pulsationen in China Gleichzeitige Magnetfeldmessungen (Abtastrate 1 Hz) der Grazer Bodenstationen (Projekt CHIMAG) in Peking (BJI), Wuhan (WHN) und Hainan (HFK). Die Messungen zeigen zwei Pi2 Pulsationen, die vorwiegend zum Beginn von Teilstürmen auftreten. Das obere Teilbild zeigt die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes. Die durch einen Bandpass (7 bis 20 mHz) geschickten Daten sind im unteren Teilbild dargestellt.  

The South European Ground Magnetometer Array (SEGMA) Project ULF magnetometer stations in Italy, Bulgaria and Hungary (see table) Nominal sampling rate 1 Hz Triaxial fluxgate and search coil magnetometers Nominal resolution 0.01 nT

Seismomagnetic Events The 1993 Guam earth quake: Hayakawa and Molchanov 1994 Large earthquake on 8-August 1993, Ms= 7.1 ULF station 65 km from epicenter Polarization (V/H): ULF or seismic origin Magnetic precursors 1 month and 5 days before 0.1 nT noise-like V/H signals from 0.02 – 0.05 Hz L‘Aquila earthquake: 6-April-2009, m=6.3, multi-parameter Studie, Computer Modelle

L‘Aquila EQ Hodogram of D and H component in the PC3 (22 mHz – 100mHz) frequency range for the same time period. Magnetic H,D and Z component from LAQ 2009-Apr-06 01:30 – 01:38 Magnetic field data from the SEGMA station near L‘aQUILA All 3 components compenents (H, D and Z) are shown Time period: 1:30 until 1:38 on 6-April-2009 Hodogram in the H-D plane: tilted ellipse IWF/ÖAW GRAZ 19 19

Physikalische Grundlagen  Maxwellsche Gleichungen: rot H = J + d/dt(D) rot E = -d/dt(B) div B = 0 div D = rho   J = sigma * E B = mu * H D = eps * E

Ströme erzeugen Magnetfelder Korkenzieher Regel (Rechte-Hand-Regel)

- Magnetfeld eines geraden Leiters: Magnetische Spannung aus rot H = J (Verschiebungsstrom D vernachlässigt) folgt "Summe der magnetischen Spannungen H * s" = "Summe der Ströme". Anwendung -     Magnetfeld eines geraden Leiters: H = I / (2*pi*r) -      Magnetfeld einer idealen Spule (Außenfeld Null): H = N*I / L ; N ..Windungszahl; L ..Spulenlänge -       Magnetfeld einer idealen Ringspule (Toroid): H = N*I / (2*pi*r)

Biot Savartsches Gesetz folgt aus Maxwellschen Gleichungen dH = I / (4 pi) * (ds x r)/r^3 r Vektor vom Stromelement (Quellpunkt) zum Aufpunkt   Einfache Anwendung Magnetfeld im Zentrum eines kreisförmigen Leiters H = I / (2*R) R Radius

Induktionsgesetz U = -d/dt(phi) Die zeitliche Änderung eines Magnetfeldes erzeugt ein elektrisches Feld U = -d/dt(phi) phi magn. Fluss Anwendung Induktion in einer Spule (Faraday-Versuch)  

Elektromagnetische Wellen Für niedrige Frequenzen kann der Verschiebungsstrom (eps_0 * eps_r * E) vernachlässigt werden. Bei "höheren" Frequenzen können sich elektromagnetische Wellen ausbreiten. Beispiel: Blitze erzeugen elektromagnetische Wellen und regen Schumann Resonanzen an. Für die Erde liegt das erste Maximum bei ca. 8 Hz.

Wellengleichung harmonischer Ansatz: laplace H + k^2*H = 0 k^2 = -i*omega*mu*(sigma + i*omega*epsilon)

Wellenimpedanz Zusammenhang zwischen E und H im Fernfeld wird durch die Wellenimpedanz beschrieben: H = E / Z Z = sqrt(mu_0 / eps_0) = 377 Ohm Beispiel: Elektrische und magnetische Felder bei Schumann Resonanz. E = 500 mikroV/m; H = 1.3 mikroA/m  B = 1.6 pT   Zusammenhang zwischen B und H B = mu_0 * (H + M) M .. Magnetisierung der Materie M = chi * H chi .. Suszeptibilität

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)

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

Feldlinienbild eines Dipols

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: G*cm^3 = mA*m^2 T*m^3 = 10^10 G*cm^3

"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

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  kein internes, globales 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 Medizinische Geräte: MR (3 T mit flüssigem Helium), TMS (1 T für 1 ms, keine Kühlung,Handgerät)

Elektrische Leitfähigkeit sigma Formel von Drude Modifizierte Leitfähigkeitsformel von Drude (1900): (Ref. Jackson Seite 312) sigma = (fo*N*e^2)/(m(nu - i*omega)) m Masse der Elektronen fo*N Anzahl der freien Elektronen pro Volumen; nu Stoßzahl. In einer ionisierten Stickstoffatmosphäre (Erde, Titan) gilt: nu[Hz]= 6.5*10^5*p[N/m2] (Friedrich)

Elektrische Leitfähigkeit Beispiele Kupfer: N ca. 8*10^28 [Atome/m^3] sigma ca. 5.9*10^7 [S/m ]  nu/fo = 4*10^13 [1/s] Meerwasser : sigma ca. 4.4 [S/m ](für niedrige Frequenzen wie Schumann Resonanzen und bei üblichem Salzgehalt) Die Leitfähigkeit in der Erdionosphäre beträgt etwa: Sigma(D-Schicht) ca 10^-3 S/m Messungen der HUYGENS Sonde am 14. Jänner 2005 ergaben eine Leitfähigkeit von ca. 1.8*10^-9 S/m in einer Höhe von 60 km in der Atmosphäre des Saturnmondes Titan. Mit einem Druck von etwa 4000 N/m2 bekommt man unter Benutzung der Formeln von Drude und Friedrich: Nu 2.6*10^9 [Hz N=164 electrons/cm3 ]=

Globale elektrische Leitfähigkeit Magnetische Fluktuationen und Sprünge des interplanetaren Magnetfeldes werden durch die elektr. Leitfähigkeit von Himmelskörpern durch magnetische 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)

Instrumente zur Messung von Magnetfeldern Klassische Magnetometer: Kompass, Spiegelmagnetometer Induktionsmagnetometer Protonenmagnetometer ("magnetisiertes Wasser") Fluxgate (Förstersonden) Optische Magnetometer SQUID Halbleiter Magnetometer

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 Seismomagnetische Studien SEGMA ULF Messungen DEMETER Messungen L‘Aquila Erdbeben Computersimulationen

Besprechung weiterführender Literatur Bücher Zeitschriften WWW Seminare Vorträge