Berndt Klecker; Matthias Förster, Edita, Georgescu, Stein Haaland, Arpad Kis, Goetz Paschmann, Manfred Scholer, Hans Vaith

Transkript

1 Cluster und Double Star: eine Flotte von 6 Satelliten zur Erforschung der Magnetosphäre der Erde Cluster and Double Star: A fleet of 6 satellites investigating Earth's magnetosphere Berndt Klecker; Matthias Förster, Edita, Georgescu, Stein Haaland, Arpad Kis, Goetz Paschmann, Manfred Scholer, Hans Vaith Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching Korrespondierender Autor berndt.klecker@mpe.mpg.de Zusammenfassung Die Missionen Cluster und Double Star ermöglichen erstmals koordinierte Messungen in der Magnetosphäre der Erde mit bis zu 6 Satelliten. Cluster liefert dabei Daten von 4 in einer Tetraeder-Formation fliegenden Satelliten für Abstände von ~100 bis ~20000 km. Diese werden durch die beiden Double Star-Satelliten in polarer und äquatorialer Umlaufbahn ergänzt. Summary With the missions Cluster and Double Star, coordinated measurements in Earth s magnetosphere with up to 6 spacecraft are now becoming available for the first time. Cluster, with its 4 spacecraft in tetraederconfiguration provides data for variable distances in the range ~100 to km. These are complimented by the measurements of the Two Double Star spacecraft in polar and equatorial orbit. Die Cluster Mission Die Cluster-Mission ([1], [2]) ist einer der Eckpfeiler des ESA-Wissenschaftsprogramms Horizon Sie besteht aus 4 Satelliten mit je 11 identischen Instrumenten zur und ihrer Grenzschichten. Dazu messen die Experimente die magnetischen und elektrischen Felder, sowie Plasma und energetische Ionen und Elektronen. Die Umlaufbahn ist stark exzentrisch mit einer Höhe zwischen und km und führt von der erdnahen Magnetophäre bis in den solaren Wind (Abb. 1). Der Abstand der 4 Satelliten wird entsprechend der wissenschaftlichen Zielsetzung zwischen ~100 und ~ km variiert, wobei die 4 Satelliten im jeweiligen Zielgebiet in einer Tetraeder-Konfiguration angeordnet sind. Durch den Einsatz von 4 Satelliten ist es mit Cluster erstmals möglich, Plasmastrukturen und Grenzschichten der Magnetosphäre in 3 Dimensionen zu studieren. Cluster wurde im Juli / August 2000 gestartet. Am wurde der wissenschaftliche Betrieb aufgenommen, die Laufzeit der Mission wurde in diesem Jahr bis Ende 2009 verlängert, wobei in 2007 eine weitere Beurteilung der Mission vorgesehen ist Max-Planck-Gesellschaft 1/6

2 Die Mission Double Star Mit der Mission Double Star wurde die Cluster-Flotte um zwei weitere Satelliten erweitert. Die Mission wurde im Rahmen eines Kooperationsvertrages zwischen ESA und CNSA (Chinese National Space Administration) durchgeführt. Der erste Satellit, Double Star TC-1, wurde am 29. Dezember 2003 mit einer Rakete vom Typ Langer Marsch 2C/SM erfolgreich in Xichuan in eine äquatoriale Umlaufbahn (570 x km) gestartet. Die Nutzlast von Double Star TC-1 besteht aus insgesamt 8 Experimenten, wobei 5 der Sensoren Ersatzexperimente der Cluster-Mission sind. Der zweite Satellit mit ebenfalls 8 Experimenten, davon ein Experiment aus der Cluster-Serie, wurde am 25. Juli 2004 in eine polare Umlaufbahn (690 x km) ge s ta rte t. Mit den vier Cluster Satelliten und den beiden Double Star-Satelliten können nun erstmals koordinierte Messungen in der Magnetosphäre der Erde mit bis zu 6 Satelliten durchgeführt werden. Um laufbahnen der 4 Cluster-Satelliten und der beiden Satelliten der Double Star Mission, m it einem schem atischen Bild der Magnetosphäre der Erde. Mit den Missionen Cluster und Double Star werden nun erstm alig koordinierte Messungen in der Magnetosphäre m it bis zu 6 Satelliten m öglich. ESA (European Space Agency) Die Experimente EDI und CIS auf Cluster Das MPE ist maßgeblich an den beiden Experimenten EDI (Electron Drift Experiment) und CIS (Cluster Ion Spectrometer) beteiligt. Das EDI- Experiment [3] misst die Ablenkung eines schwachen Strahls (+, He 2+, He +, und O + gestattet. Der Sensor HIA kommt auch auf dem Satelliten TC1 von Double Star zum Einsatz. Diffuse Ionen vor der Bugstoßwelle der Erde Cluster erlaubt zum ersten Mal die gleichzeitige Messung von energetischen Ionen vor der Bugstoßwelle der Erde bei verschiedenen Abständen. Es wurde in der Vergangenheit gezeigt, dass solche Ionen immer gleichzeitig mit niederfrequenten hydromagnetischen Wellen auftreten: Die Wellen werden durch die Strömung der Teilchen erzeugt, und diese Wellen streuen die Teilchen wieder. Dies führt zu einem diffusiven räumlichen Transport. Mit den Plasma-Sensoren auf Cluster 1 und 3 wurde die Dichte der Ionen im Energiebereich von 10 bis 32 kev gemessen [5] (Abb. 2 - links). Aus deren Differenz lässt sich mit den bekannten Abständen der 2005 Max-Planck-Gesellschaft 2/6

3 Satelliten der Dichtegradient bestimmen. Unter Benutzung eines Modells für die Geometrie der Bugstoßwelle wurde dann der Gradient der Teilchen bei verschiedenen Abständen von der Bugstoßwelle berechnet. Der Gradient fällt in dem untersuchten Energiebereich exponentiell ab, die Abfalllänge liegt zwischen 0.5 und 2.8 Erdradien und steigt linear mit der Energie der Ionen an (Abb. 2 - rechts). Aus der Abfalllänge lässt sich die freie Weglänge, l, und die charakteristische Zeit t acc für Stoßwellenbeschleunigung berechnen. Für 30 kev- Ionen ist die freie Weglänge etwa 2.4 Erdradien groß, und die charakteristische Beschleunigungszeit liegt bei 120 sec. Dies zeigt, dass der Transport der Ionen vor der Bugstoßwelle diffusiv ist, und dass die Beschleunigung an der Bugstoßwelle sehr effizient ist. Links: Die partielle Dichte im Energiebereich kev von Ionen vor der Bugstoßwelle der Erde am 18. Februar Rechts: Die charakteristische Distanz, m it welcher die Ionendichte als Funktion des Abstands abfällt, in vier Energiebereichen. MPI für Extraterrestrische Physik Bestimmung von Dicke und Geschwindigkeit der Magnetopause Die Magnetopause ist eine dünne Stromschicht, die den Sonnenwind vom Magnetfeld der Erde trennt. Wenn sich diese Schicht über einen Satelliten hinweg bewegt, dann zeigen dessen Instrumente abrupte Änderungen in den Magnetfeld- und Plasmaeigenschaften. Da die Geschwindigkeit dieser Bewegung a-priori unbekannt ist, kann man die Dicke der Schicht aus den Messungen mit nur einem Satelliten nicht bestimmen. Cluster erlaubt nun aber, aus den Durchgangszeiten der Magnetopause bei den vier Satelliten, deren Orientierung und Geschwindigkeit, und damit auch deren Dicke, direkt zu berechnen [6]. Abbildung 3 zeigt für 96 Magnetopausendurchgänge an der morgenseitigen Flanke der Magnetosphäre die Verteilung der Fälle auf bestimmte Intervalle von Dicke und Geschwindigkeit. Auffallend ist der große Bereich der Magnetopausendicke, von Hunderten bis Tausenden von km. In einfachen Modellen sollte die Dicke durch den Gyrationsradius der Ionen gegeben sein, denn dieser bestimmt, wie tief die Ionen in das Erdmagnetfeld eindringen können. Der Gyrationsradius betrug in den untersuchten Fällen aber nur etwa 50 km. Die Magnetopause ist also meist sehr viel dicker als einfache Überlegungen erwarten lassen. Auffallenderweise korrelieren die Dickenvariationen auch nicht mit irgendeiner der Größen des Sonnenwindes oder des interplanetaren Magnetfeldes. Abbildung 3 (rechts) zeigt den großen Bereich der Magnetopausengeschwindigkeit, von weniger als 10 km/s bis zu einigen Hundert km/s. Daraus wird deutlich, dass man aus der Dauer des Magnetopausendurchgangs allein nicht auf deren Dicke schließen kann Max-Planck-Gesellschaft 3/6

4 Links: Histogram m der Magnetopausendicke d für 96 Durchquerungen der m orgenseitigen Flanke der Magnetopause am 5. Juli Die Dickenbereiche sind logarithm isch gewählt. Rechts: Histogram m der Magnetopausengeschwindigkeit für dieselben 96 Durchquerungen wie rechts. MPI für Extraterrestrische Physik Konvektion in der polaren Magnetosphäre Die Sonne sendet kontinuierlich einen Strom geladener Teilchen, hauptsächlich Elektronen und Protonen, aus. Für diesen Sonnenwind stellt das Erdmagnetfeld ein Hindernis dar, welches er umströmen muss. Besonders wenn das interplanetare Magnetfeld (IMF), das vom Sonnenwind mitgeführt wird, eine südwärts gerichtete Komponente hat, kann es an der tagseitigen Magnetopause zu einer Verschmelzung mit dem Erdmagnetfeld kommen (Rekonnexion). Als Folge dieser Rekonnexion werden die nun mit dem interplanetaren Magnetfeld verbundenen Feldlinien des Erdmagnetfeldes vom Sonnenwind über beide Pole der Erde hinweg in Richtung des Schweifes der Magnetosphäre gezogen. Wegen der hohen Leitfähigkeit des Plasmas ist dieses im Inneren der Magnetosphäre an das Magnetfeld gekoppelt und gezwungen, die Konvektionsbewegung mitzumachen. Eine weitere Möglichkeit für Rekonnexion bei nordwärts gerichtetem IMF besteht schweifwärts der magnetischen Cusp (der Einkerbung, die tagseitige von nachtseitigen Feldlinien trennt, s.a. Abb. 1). Mit dem Elektronen-Drift Instrument (EDI) auf den vier Cluster-Satelliten lässt sich die Konvektionsgeschwindigkeit des magnetosphärischen Plasmas über den Polkappen im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden, deren Genauigkeit unter der typischerweise geringen Plasmadichte in diesem Bereich leidet, besonders gut messen. Es wurden 20 Überquerungen der Polkappen statistisch untersucht [7]. Über 1.5 nt-intervalle gem ittelte 10-Minuten Mittelwerte der m it EDI über den Polkappen gem essenen norm ierten Konvektionsgeschwindigkeiten als Funktion der z-kom ponente des interplanetaren Magnetfeldes. Die zugehörigen Standardabweichungen sind als vertikale Balken dargestellt. MPI für Extraterrestrische Physik 2005 Max-Planck-Gesellschaft 4/6

5 Abbildung 4 zeigt 10-Minuten Mittel der Komponente der Konvektionsgeschwindigkeit in der (X,Z)-Ebene, deren Vorzeichen den Sinn der Konvektion sonnenwärts (+) oder schweifwärts (-) angibt, als Funktion der z-komponente des interplanetaren Magnetfeldes (IMF B z ). Da die Höhe der Satelliten bei der Überquerung der Polkappe nicht konstant ist und die Konvektionsgeschwindigkeit wegen der Divergenz der Feldlinien mit zunehmender Höhe ansteigen muss, wurden die Konvektionsgeschwindigkeiten auf eine einheitliche ionosphärische Höhe von etwa 100 km entsprechend einem Magnetfeld von 50 Mikro Tesla normiert, um die Höhenabhängigkeit zu eliminieren. Wie erwartet ist die Konvektion in Schweifrichtung umso stärker, je negativer IMF B z ist. Auch bei positivem IMF B z findet man eine im Durchschnitt schweifwärts gerichtete Konvektionsbewegung, jedoch treten hier verstärkt auch Fälle sonnenwärts gerichteter Konvektion auf. Die Ursache dafür liegt in den komplizierteren Konvektionsmustern, die bei Rekonnexion schweifwärts der Cusp für nordwärts gerichtetes IMF (B z > 0) auftreten. Mit der Mission Cluster mit ihren 4 in variabler Konfiguration fliegenden Satelliten konnten erstmals zeitliche und räumliche Variationen an Grenzschichten der Magnetosphäre der Erde detailliert untersucht werden. Mit d e r Erweiterung der Mission durch Double Star sind weitere wesentliche Fortschritte im Verständis der physikalischen Prozesse insbesondere an der Bugstoßwelle und im Schweif der Magnetosphäre der Erde zu e rw a rte n. Darüberhinaus sind Cluster und Double Star richtungsweisend für zukünftige Multi-Satelliten- Missionen, wie z.b. die Magnetospheric Multi Scale (MMS) Mission der NASA, für die in diesem Jahr das Auswahlverfahren abgeschlossen wurde. Originalveröffentlichungen Nach Erweiterungen suchenbilderweiterungchanneltickerdateilistehtml- ErweiterungJobtickerKalendererweiterungLinkerweiterungMPG.PuRe-ReferenzMitarbeiter (Employee Editor)PersonenerweiterungPublikationserweiterungTeaser mit BildTextblockerweiterungVeranstaltungstickererweiterungVideoerweiterungVideolistenerweiterungYouTube- Erweiterung [1] Escoubet, C.P., R. Schmidt, and M.L. Goldstein Cluster Science and Mission Overview Space Science Review 79, No. 1-2, ( 1997). [2] Credland, J., G. Mecker and J. Ellwood The Cluster Mission: ESA s Spacefleet to the Magnetosphere Space Science Review 79, (1997). [3] Paschmann, G., et al. The Electron Drift Instrument for Cluster Space Science Review 79, (1997). [4] Rème, H., et al. The Cluster Ion Spectrometry (CIS) Experiment Space Science Review 79, (1997) Max-Planck-Gesellschaft 5/6

6 [5] Kis, A., M. Scholer, B. Klecker, E. Möbius, E. A. Lucek, H. Rème, J. M. Bosqued, L. M. Kistler, and H. Kucharek Multi-spacecraft observations of diffuse ions upstream of Earth s bow shock Geophysical Research Letters 31, L20801 (2004). [6] Vaith, H., G. Paschmann, J. Quinn, M. Förster, E. Georgescu, S. Haaland, B. Klecker, C. Kletzing, P. Puhl-Quinn, H. Rème and R. Torbert Plasma convection across the polar cap, plasma mantle and cusp: Cluster EDI observations Annales Geophysicae 22, (2004). [7] G. Paschmann, S. Haaland, B.U. O. Sonnerup, H. Hasegawa, E. Georgescu, B. Klecker, T.D. Phan, H. Rème, and A. Vaivads Characteristics of the near-tail dawn magnetopause and boundary layer Annales Geophysicae 23, (2005) Max-Planck-Gesellschaft 6/6