Das Erdmagnetfeld Das Aussenfeld der Erde besteht aus:

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1 Das Erdmagnetfeld Das Aussenfeld der Erde besteht aus:
der Magnetosphäre dem Van Allen Gürtel der Ionosphäre

2 Das Erdmagnetfeld Das Aussenfeld >>> Magnetosphäre
Der „Sonnenwind“ besteht aus elektrisch geladenen Teilchen (Elektronen, Protonen). Geschwindigkeit relativ zur Erde ≈ 400 km/s. Bei dieser Ultraschallgeschwindigkeit (ultrasonic velocity) bildet sich eine Schock-Welle auf der sonnennahen Seite der Erde (= Magnetopause) Die Teilchen des Sonnenwindes (wie elektrischer Strom) verursachen Magnetfelder Das Erdmagnetfeld wird auf der Tages-Seite verstärkt und auf der Nacht-Seite abgeschwächt Die Feldlinien bilden eine „tränenartige“ Form, die sich bis zu 50‘000 km erstreckt (ca. 8 Erdradien)

3 Das Erdmagnetfeld Magnetosphäre Sonnenwind Magnetopause magnetischer
Distanz [Erdradien] Van Allen Gürtel Sonnenwind Magnetopause magnetischer Äquator “Bug”(=Bow) Schockwelle Magnetosphäre

4 Das Erdmagnetfeld Das Aussenfeld >>> Van Allen Gürtel
(Höhe: 2‘000 – 20‘000 km) Ionen des Sonnenwinds (sowie aus der Ionosphäre) werden im Erdmagnetfeld gefangen. Die Ionen werden gezwungen, entlang magnetischer Feldlinien schraubenartig von Pol zu Pol zu wandern. Es bilden sich „Gürtel“ mit intensiver Strahlung: Van Allen Gürtel innerer Gürtel: r = 1.3 – 1.7 R (2‘000 – 5‘000 km Höhe) äusserer Gürtel: r = 3.2 – 4.2 R (13‘000 – 20‘000 km) Die magnetischen Effekte auf der Erdoberfläche sind aufgrund der grossen Entfernung gering. (Magnetic effect small at earth‘s surface) Plasma of protons and electrons in both – also some He+ and O+

5 Innerer Van Allen Gürtel Äusserer Van Allen Gürtel
Das Erdmagnetfeld Dipolachse Innerer Van Allen Gürtel Äusserer Van Allen Gürtel Magnetischer Äquator Distanz (Erdradien) Van Allen Gürtel

6 Das Erdmagnetfeld Die Bewegung der eingefangenen geladenen Partikel im erdmagnetischen Feld geomagnetische Achse Aurora Borealis Gürtel Australis magnetischer Äquator Dipol- Feldlinien

7 Das Erdmagnetfeld Das Aussenfeld >>> Van Allen Gürtel
(Höhe: 2‘000 – 20‘000 km) Beweis durch Argus-Experiment (1958): Drei kleine Atombomben wurden hoch über der Atmosphäre im Südatlantik gezündet. Die Teilchen folgten den Feldlinien bis r = 2R (6‘400 km Höhe) und kehrten im gleichen Breitengrad auf der Nordhemisphäre zurück - Aurora. Beweis=proof

8 Das Erdmagnetfeld Das Aussenfeld >>> Ionosphäre (Höhe: 80 – 500 km) Die Ultra-violett (UV)-Strahlung der Sonne ionisiert die Moleküle der oberen Atmosphäre. Ionisierte Schichten (layers) bilden sich in Höhen von 50 – 1‘500 km: (D), E, F1, F2, (G) = 5 Schichten. Die dichtesten Schichten sind in Höhen 80 – 300 km: (D), E, F1, F2. Funkamateure reflektieren Radiowellen von der E- und F-Schichten (nur langwellige Wellen, die kurzwelligen entweichen ins All). Die ionisierten Moleküle setzen Elektronen frei, die sich den Feldlinien entlang bewegen. Die sich bewegenden Elektronen bilden Stromkreise, die Magnet-felder erzeugen - spürbares Aussenfeld an der Erdoberfläche. Molecules that are ionised are mostly O2 N2 and at higher levels atomic oxygen (O)

9 Das Erdmagnetfeld Änderung der Ionosphäre während eines Tages Sonnen-
strahlung F2 Schicht F1 Schicht F Schicht E Schicht Tag Nacht Nordpol Erd- rotation

10 Das Erdmagnetfeld Tägliche Variation des Erdmagnetfeldes
Infolge der Erddrehung schwanken die Magnetfelder der Ionosphäre während des Tages >>> SQ (= solar quiet variation) Sonnenflecken lösen immense Strahlung (+ Sonnenwind) aus >>> Verstärkung des Erdmagnetfeldes >>> SD (= solar disturbed variation) SD kann „magnetische Stürme“ mit Intensitäten von 100 – 1000 nT entsprechen. Die tägliche Variation und magnetische Stürme sind breiten-abhängig (stärker am Pol). Während magnetischen Stürmen muss die magnetische Prospektion eingestellt werden, und die Ausbreitung der Radiowellen („Kurzwelle“) wird gestört. As a result of the rotation of the earth the magnetic field fluctuates during the day

11 Das Erdmagnetfeld Tägliche Variation des Erdmagnetfeldes – Solar quiet variation SQ Nord- Komponente (X) Ost- (Y) vertikale (Z) Mittagszeit

12 Das Erdmagnetfeld Tägliche Variation des Erdmagnetfeldes: Beispiel eines magnetischen Sturms (13. Mai, 2005).

13 Das Erdmagnetfeld Beispiel eines magnetischen Sturms (13. Mai, 2005).

14 Das Erdmagnetfeld Beispiel eines magnetischen Sturms (13. Mai, 2005).

15 Das Erdmagnetfeld Innenfeld: Ursprung im Erdinnern
>99% des gesamten Erdfelds. R f q This portion of the geomagnetic field is often referred to as the Main Field. The Main Field varies slowly in time and can be described by Mathematical Models such as the International Geomagnetic Reference Field (IGRF) and World Magnetic Model (WMM). Dipolfeld: 94% des Erdmagnetfelds Nichtdipolfeld: 5% des Erdmagnetfelds

16 Das Erdmagnetfeld Innenfeld
Die Analyse von Gauss (1839) stellt das Innenfeld als eine Überlagerung von Multipol-Feldern dar: Dipol, Quadrupol, Oktupol, = g10 Pole, = g20 Pole, = g30 Pole, … gn0 n = 1 n = 2 n = 3 … n Diese Felder sind rotationssymmetrisch um eine Achse.

17 das Nichtdipol-Feld (NDF) (zusammen mit Komponenten höherer Ordnung)
Das Erdmagnetfeld a) Dipol b) Quadrupol c) Oktupol das Dipolfeld ≈ 94 % des Totalfeldes an der Erdoberfläche das Nichtdipol-Feld (NDF) (zusammen mit Komponenten höherer Ordnung) ≈ 5 % des Totalfeldes

18 Das Erdmagnetfeld a) Dipol b) Quadrupol c) Oktupol Achse der
Rotations- symmetrie zonale harmonische Komponente a) Dipol b) Quadrupol c) Oktupol

19 Das Erdmagnetfeld Innenfeld: das Dipolfeld.
g10 beschreibt die stärkste Feldkomponente und das Dipolfeld welches entlang der Erdrotationsachse zentrierst ist. Radiale und tangentiale Komponenten des Erdmagnetfelds B: Earth‘s field is dipole field when averaged over time

20 Das Erdmagnetfeld Totalfeld – Dipolfeld = Nichtdipolfeld (NDF)
Das NDF sieht aus wie ein System von wirbelförmigen Anomalien. Um jeden Breitenkreis findet man etwa 1-2 positive und 1-2 negative Anomalien. Die Anomalien sind stark; lokale Werte bis zu 20‘000 nT. Das NDF ändert langsam mit der Zeit >>> Säkularvariation Das NDF besteht aus: - einem stationären Anteil und - einem sich bewegenden Anteil.

21 Das Erdmagnetfeld

22 Das Erdmagnetfeld Säkularvariation: Beispiel Paris und London
Example of magnetic field directions from observatory data for London and Paris from early 17th century

23 Das Erdmagnetfeld Die geomagnetischen Feldelemente
Vertikal Nord Ost H X T Z Y D I magnetische Nordrichtung Das Feld kann mit kartesischen Koordinaten beschrieben werden: X (Nord), Y (Ost), Z (vertikal unten) oder mit Kugelkoordinaten D (Deklination), I (Inklination), T (Totalintensität).

24 Das Erdmagnetfeld Die Deklination des Feldes
Eine freischwingende Kompass-Nadel zeigt nicht genau in Richtung des geographischen Nordpols. Der Winkel zwischen geographisch und magnetisch Nord heisst Deklination D. Der magnetische Nordpol liegt im Norden Kanadas - Geomagnetische Pole (2001): 81.0 N W 64.6 S E geographisch Nord magnetisch D The magnetic poles are defined as the area where dip is vertical. There are several definitions of magnetic pole. Two common uses are the "surveyed" magnetic dip pole where the magnetic field is measured to be vertical and the "modeled" magnetic dip pole based on a model of Earth's magnetic field where inclination is calculated to be 90 degrees. In reality, the surveyed magnetic pole is not a single point, but more likely an area where many "magnetic poles" exist. The Geological Survey of Canada keeps track of the North Magnetic Pole, which is slowly drifting across the Canadian Arctic, by periodically carrying out magnetic surveys to redetermine the Pole's location. The most recent survey, completed in May, 2001, determined an updated position for the Pole and established that it is moving approximately northwest at 40 km per yearT Year Latitude (°N) Longitude (°W) Observed position of the South Magnetic Pole ° S 138.0° E Source: Canadian Geologic Survey

25 Das Erdmagnetfeld Die Deklination des Feldes (2000) www.ngdc.noaa.org
The magnetic poles are defined as the area where dip is vertical. There are several definitions of magnetic pole. Two common uses are the "surveyed" magnetic dip pole where the magnetic field is measured to be vertical and the "modeled" magnetic dip pole based on a model of Earth's magnetic field where inclination is calculated to be 90 degrees. In reality, the surveyed magnetic pole is not a single point, but more likely an area where many "magnetic poles" exist. The Geological Survey of Canada keeps track of the North Magnetic Pole, which is slowly drifting across the Canadian Arctic, by periodically carrying out magnetic surveys to redetermine the Pole's location. The most recent survey, completed in May, 2001, determined an updated position for the Pole and established that it is moving approximately northwest at 40 km per yearT Year Latitude (°N) Longitude (°W) Observed position of the South Magnetic Pole ° S 138.0° E Source: Canadian Geologic Survey Dip pole

26 Das Erdmagnetfeld Dipol- achse An der Erdoberfläche ist die Feldrichtung durch den Winkel I zum Horizont bestimmt; I ist die Inklination: l q I Dipol- Feldlinie Äquator Horizont For a purely dipole field! I wird als positiv nach unten definiert (Nordhemisphäre der Erde)

27 Earth’s Magnetic Field
Inklination (2000) Earth’s magnetic field is constantly changing so cannot have an accurate may of the filed for any future moment. Therefore by tracking changes can make mathematical models of the earth’s filed Isoclinic map showing declination and inliantion of the model field As you move away from the magnetic equator, I and Z increase. This image shows the magnetic equator in green. WMM (World magnetic models is accurate to within 30‘ of arc for D and I and 200 nT in intensity.

28 Das Erdmagnetfeld Die Einheit des Magnetfeldes ist:
Ein Feld mit 1 Tesla ist sehr stark (z.B. Elektromagnet). Als praktischere Einheit wird das nanotesla (nT) verwendet: Also used is the H field In a vacuum B=0 H Inside magnetic materials is more complicated!

29 Das Erdmagnetfeld Wenn nur der Dipolanteil des Innenfeldes betrachtet wird: rotationssymmetrisch um Achse Achse des Dipols ist um ca. 11.5° geneigt gegenüber der Erdrotationsachse. 2) Modellierte Magnetfeld 81.0°N, 110.8°W 64.7°S, 138.3°E Dipolintensität: am Äquator: ≈ 30‘000 nT am Pol: ≈ 60‘000 nT in Zürich: ≈ 46‘000 nT

30 Das Erdmagnetfeld Intensität (2000)

31 Das Erdmagnetfeld Geograph.