Messung planetarer und interplanetarer Magnetfelder

Sommersemester 2015Lehrveranstaltung: SES 215 

Dr. Konrad Schwingenschuh/ÖAWKonrad.schwingenschuh@oeaw.ac.at

1. Juni 2015 bis 11. Juni 2015

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 Schwingenschuh1. Stock, 1c8 Institut für Weltraumforschung derÖsterreichischen Akademie der WissenschaftenAbteilung für Experimentelle Weltraumforschung Schmiedlstrasse 6A-8042 Graz

• Email: konrad.schwingenschuh@oeaw.ac.atTelefon: +43 316 4120-551Fax:   +43 316 4120-590 

• Mobiltelefon:  +43 699 10149046

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

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-FormelH = 1/4pi * (3(M r)r/r^5 – M/r^3)Beispiel für einen magnetischen Dipol, kleine Spule mit

Radius R und N WindungenM = "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^3Magnetisches Moment von Mars: M ca. 1.6 * 10^16 Am^2 (Paper

Acuna; MGS)Obere Grenze für globales Mars Dipolmoment ca. 10^19 Am^2Mond 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)

WWWLehrbuch 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

• •

• ***