Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder

Sommersemester 2014Lehrveranstaltung:  440.413

Dr. Konrad Schwingenschuh/ÖAW

Konrad.schwingenschuh@oeaw.ac.at

23. Mai 2014 bis 28. Mai 2014

Folien © Dr. Konrad Schwingenschuh

Auswertung der Daten von Magnetfeldexperimenten

• Zeitreihen (Rohdatenauswertung, Signalanalyse, Wavelets,..)

• Physikalische Interpretation

• Die Verwendung von Computer - Simulationen

Computerexperimente

• Nachbildung der Sensoren und der Elektronik

• Simulation der Magnetometersoftware• Spektralanalyse (FFT)

• Filterung

• Standartabweichung

• Datenkompression

• Simulation physikalischer Vorgänge• Kommerzielle Software (Femlab) oder eigene

Software (viele Jahre Entwicklung)

• Matlab, IDL, Fortran, C,...

Bordinterne Datenvorverarbeitung (preprocessing)

• Mittelung verhindert Datenlücken

• Datenkompression

• Spektrale Analyse: nur interessante Frequenzen übertragen

• Ereignisanalyse: Stosswellen,

• Kopplung von Experimenten an Bord: EDI und MAG

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.

 

The 46 km EventThe 46 km Event

Lightning data of the 46km event. The drop in the middle and high frequency ranges are likely to be overflow effects.

AC spectrum of the event at 46km, spectra of surrounding frames for comparison. Note the increase in the middle part of the spectrum. (Compare to terrestrial data above)

Erste Tests nach dem Start (commissioning)

Leistungsverbrauch nach dem Einschalten

• Temperaturgänge

• Test aller Moden

• Ausklappen des Auslegers (sehr kritisch)

• Auswahl des optimalen Messbereiches (keine Sättigung)

Kalibrierung während des Fluges (in-flight calibration)

Optimal: zwei synchrone Sensoren (ROMAP, VEXMAG)

• Unterscheidung interner und externer Magnetfeldänderungen

• Lageänderung der Raumsonde: Kalibriermanöver

• Lunachod: 180 Grad Manöver auf der Mondoberfläche

• Interner Offset: Flipper

• Lage des Sensors: spezieller Auslegr oder Sternensensor (Primdahl)

• Alfven‘sche Fluktuationen des interplanetaren Magnetfeldes:Offsetbestimmung

Rohdatenauswertung

• Magnetometerdaten• Kalibrierdaten (Temperaturgang, Messbereich,

Linearität )• Lage und Position der Raumsonde• Zeitmessungen• Gegenseitige Position und Laage von mehreren

Satelliten (Cluster)• Datenbank per WWW zugänglich• Verschiedene Zeitauflösungen und

Koordinatensysteme (GSE, GSM, SE, VSO….)

Zeitreihen• Physikalische Zeitreihe: vektorielle Messdaten +

Kalibrierdaten + Zeitwerte + Lage + ...

• Auswertung der simultanen Messung mehrerer Sensoren und Experimente

• MATLAB – Toolbox IMF (Diplomarbeit von H. Schwarzl)• Analyse mehrerer Zeitreihen

• Spektrale Kenngrößen (Leistungsdichte....)

• Filterung (Pulsationen)

• minimum variance und coplanarity

• Behandlung von Datenlücken

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.

Venus – Reaction Wheels (Zhang, 2008, Nature)

Magnetic field measurements during pericentre fly-by. Data were obtained on 17 May 2006 (a) and 21 May 2006 (b). The top panels show the field strength BT and the bottom panels show the dynamic power P spectrum. The x axis shows Universal Time in units of hours and minutes. The data used for the field time series are one-second-averaged data and the dynamic power spectra are calculated from the 32 Hz measurements. The 17 May shock is a quasiparallel shock with a shock normal angle of 27u; the 21 May shock is quasi-perpendicular with a shock normal angle of 71u. The regular disturbances bounded by the white squares are the artificial effect of spacecraft reaction wheels. A, bow shock; B, magnetopause; C, closest approach; D, eclipse shadow boundary. BT is the total magnetic field strength and By is the component of the magnetic field along the y-sensor, both in nanoTeslas.

Venus – Lightning (1, Russell 2008)

Examples of the wave events. Signals recorded by the three sensors of the fluxgate magnetometer at an altitude of 305 km at 05:16 local time and a solar zenith angle of 91u. Data sampled at 128 Hz have been rotated into Venus solar orbital (VSO) coordinates (to give Bx, By, Bz) and bandpass filtered to display signals from 42 to 60 Hz to reduce spacecraft interference. The coordinate system has its x direction pointed towards the Sun, y is opposite planetary motion, and z is along the orbit pole. Signals appeared to be in progress at the start of the interval (shown here) but ceased after 01:43:32 UT (h:min:s). The spacecraft moves about 100 km in 15 s.

Venus – Lightning (2)

Propagation of the signals. a, Burst of signal at 01:43:32 UT rotated into the principal axis coordinate system, and bandpass filtered as in Fig. 1; Bi, Bj and Bk are the field components in principal axis coordinates, with Bi along the direction of maximum variance and Bk along the direction of minimum variance. b, Hodogram of signal burst in the principal axis system. The wave is propagating along the direction (0.918, 0.340, 0.205) in VSO coordinates.

Datenauswertung: seismomagnetische Effekte

16IWF/ÖAW GRAZ

L‘Aquila: pre-seismic power 10-20 mHz

Temporal evolution of KP, Z, H and ratio (Z/H) from 1.1.2008 – 15.4.2009, LAQ station. The EQ is indicated with a red line.

17IWF/ÖAW GRAZ

ULF resultsFig.4: Standardized single magnetic field components NCK upper- ,CST mid- and LAQ lower panel

Fig.5: Standardized polarization results comparison for NCK,CST and LAQ (upper panel) and Kp index (lower panel)

Physikalische Interpretation• Kenngrößen von Pulsationen

• Frequenz• k-Vektor

• Planetare und interplanetare Stoßwellen• Geschwindigkeit• Änderungen der Plasmaeigenschaften

• Der Sonnenwind als turbulentes Medium• Spektrale Eigenschaften• Fraktale Strukturen• Turbulenzballen

• Studium des Magnetschweifs• induziert oder eingeprägt• Stromschicht• Magnetfeldverschmelzung

Besprechung weiterführender Literatur

• Bücher• 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.Scharzl ( IMF-Toolbox, MATLAB)

• Dissertationen• W.Magnes ( CHIMAG)• H. Feldhofer ( magnetische Reinheit, MMS)

Standard Folie Titel

• Standardfolie Text mit Bullets