Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder Sommersemester 2015 Lehrveranstaltung: SES 215  Dr. Konrad Schwingenschuh/ÖAW Konrad.schwingenschuh@oeaw.ac.at 1. Juni 2015 bis 11. Juni 2015 Folien © Dr. Konrad Schwingenschuh 1

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Inhaltsverzeichnis Tag4 von 4 Magnetisches Moment Kometen

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,... Spezifisches magnetisches Moment (specific magnetization) Ms: Moment proMasse Beispie: ROSETTA Asteroid Steins 2008:Ms kleiner als 10^(-3) Am² pro kg Auster etal. PSS 2009 During the 2867 steins flyby of the ROSETTA spacecraft on September 5, 2008 magnetic field measurements have been made with both the RPC orbiter magnetometer and the ROMAP lander magnetometer. These combined magnetic field measurements allow a detailed examination of any magnetic signatures caused either directly by the asteroid or indirectly by steins' different modes of interaction with the solar wind. Comparing measurements with simulation results show that steins does not posses a significant remanent magnetization. The magnetization is estimated at less than 10-3Am2/kg. This is significantly different from results at 9969 Braille and 951 Gaspra. Key words: asteroids, -Steins, ROSETTA, magnetic field, remanent magnetization

Das magnetische Dipolmoment M: Formeln und Beispiele 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

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)

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: Gcm^3 = mAm^2; Tm^3 = 10^10 Gcm^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 1 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 Asteroid Braille (DS1 1999) etwa 10^11 Am2 Magnetar (rotierender Neutronenstern mit superstarkem Magnetfeld) B ca. 800*10^12 G = 8*10^10 T Maximalwerte im Labor: B ca. 100 T

Natürliche elektrische und magnetische Felder sowie magnetische Momente 2 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

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)

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

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)

WWW Lehrbuch über Space Physics : http://www.oulu.fi/~spaceweb/textbook/ IWF http://www.iwf.oeaw.ac.at European Space Agency http://www.esa.int NASA Spacescience http://spacescience.nasa.gov/ Austrian Space Agency http://www.asaspace.at/ *** Folie 3 Inhaltsverzeichnis Tag4 von 4 • Magnetisches Moment • Kometen • Asteroiden • Monde • ROSETTA und PHILAE Folie 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,... • Spezifisches magnetisches Moment (specific magnetization) Ms: Moment proMasse • Beispie: ROSETTA Asteroid Steins 2008:Ms kleiner als 10^(-3) Am² pro kg •