Wechselwirkung des Sonnenwindes mit dem interplanetaren Medium. Andreas Kopp, IEAP, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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1 Wechselwirkung des Sonnenwindes mit dem interplanetaren Medium Andreas Kopp, IEAP, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

2 Sonnenwind und Kometen Erscheinungsformen eines Kometen entlang seiner Bahn Ein Komet hat im Wesentlichen zwei Schweife: Aufbau eines Kometen Staubschweif: gebogene Form durch Kombination aus Gravitation und Strahlungsdruck erklärbar Ionen- oder Plasmaschweif: zeigt immer von der Sonne weg Hinweis auf den Sonnenwind

3 Sonnenwind: Messungen der Sonnenwindgeschwindigkeit durch Ulysses in ruhigen Zeiten (links): langsamer Sonnenwind: in Äquatornähe, 400 km/s schneller Sonnenwind: zu den Polen hin, 800 km/s in aktiven Zeiten (rechts): keine eindeutige Zuordung, von Ausbrüchen überlagert erste mathematische Beschreibung durch Eugene Parker (1958): Parker-Modell des Sonnenwindes und Parker-Spirale Wechselwirkung eines Kometen mit dem Magnetfeld des Sonnenwindes Modell der Wechselwirkung nach Hannes Alfvén

4 Unmagnetisierte Planeten Wechselwirkung mit dem Mond Einfluss der ionisierten Atmosphäre (Ionosphäre) Verhalten von Strömung (li.) und Magnetfeld (re.) Wechselwirkung mit Venus (Filamentierung auf der Nachtseite)

5 Magnetisierte Körper im Sonnensystem Anmerkungen: der magnetische Nordpol von Merkur, Erde und Ganymed befindet sich nahe des geographischen Südpols Venus besitzt kein messbares intrinsisches Dipolfeld, aber (durch Stöße) induzierte Magnetfelder in der dichten Atmosphäre das Dipolfeld des Mars ist (nahezu) verschwunden, die angegebene Feldstärke bezieht sich auf Gebiete remanenter Magnetisierung in der südlichen Hemisphäre: Jupitermonde: Die remanente Magnetisierung des Mars (Mars Global Surveyor) Europa besitzt kein messbares intrinsisches Dipolfeld, allerdings wird ein Dipolfeld aufgrund eines leitfähigen Inneren (Ozean?) durch das infolge der Dipolneigung zeitlich variable Jupiterfeld induziert bei Io und Callisto ist dieser Effekt erheblich kleiner Ganymed ist der größte Mond im Sonnensytem (größer als Merkur) und der einzige, der ein (messbares) intrinsisches Dipolfeld besitzt

6 Monde der übrigen Gasplaneten: Saturn hat eine vernachlässigbar kleine Dipolneigung, so dass es zu keinen Induktionseffekten kommen kann bei den Monden von Uranus und Neptun scheint es trotz der erheblichen Dipolneigung keine Induktionseffekte zu geben, allerdings ist ihr innerer Aufbau unklar Erzeugung der Magnetfelder: grundlegender Mechanismus: Konvektion flüssiger und leitfähiger Materie im Inneren bestimmende Faktoren: Radius: Europa ist vermutlich zu klein, Ausnahme: Titan Rotationsperiode: Venus rotiert extrem langsam, Ausnahme: Mars innerer Aufbau (mit dem Radius korreliert): Uranus und Neptun sind für die Bildung metallischen Wasserstoffs zu klein es lassen sich drei Grundtypen unterscheiden: Erzeugungsmechanismen planetarer Magnetfelder (1) Merkur, Erde, (Mars) und Ganymed: Dynamo im äußeren Kern (2) Jupiter und Saturn: Dynamo im Mantel aus metallischem Wasserstoff (3) Uranus und Neptun: Dynamo im flüssigen Außenbereich des Wasserstoffmantels erklärt Neigung und Verschiebung der Felder sowie ihren hohen Quadrupolanteil: Die Magnetfelder von Uranus (li.) und Neptun (re.)

7 Merkur Aufbau der Magnetosphäre Numerische Simulationsrechnungen [Ip & Kopp, 2002]: oben (Farbe): Geschwindigkeit des Sonnenwindes in km/s unten (Linien): Magnetfeldlinien links: interplanetares Magnetfeld und Dipolfeld antiparallel (südwärts: ): -cusp-bereich: kaum sichtbar -Magnetopause: an der Tagseite sehr nahe der Oberfläche, sonst ausgedehnt rechts: interplanetares Magnetfeld und Dipolfeld parallel (nordwärts: ): -cusp-bereich: ausgeprägt, mit interplanetarem Feld verbunden -Magnetopause: eng und gestreckt, an der Tagseite weiter von der OF weg

8 Erde Manifestation der WW mit dem Sonnenwind: Nordlicht Aurora über Alaska und Aurora-Oval (Explorer 1, 1981) Kristian Birkeland und sein Terrella-Experiment Größenvergleich: Wechselwirkungsregion (Venus) Magnetosphäre (Erde),,Magnetosphären von Venus (R=6051 km) und Erde (R=6378 km)

9 Aufbau der Erdmagnetosphäre: Dreidimensionaler Aufbau der Magnetosphäre der Erde der Innenbereich korotiert mit der Erde (bis 4R E ): Plasmasphäre Rand der Plasmasphäre: Plasmapause in den Strahlungsgürteln fließt der Ringstrom in der Mitte des Schweifs befindet sich die Plasmaschicht mit der Neutralschicht im Zentrum dort kehrt sich das Magnetfeld um, und es fließt der Schweifstrom, der sich am Plasmamantel (Innenrand der Magnetopause) schließt darüber und darunter befinden sich die,,lobes (dt. Lappen) die Ausdehnung des Schweifs beträgt weit über 100 Erdradien im Schweif befindet sich der für die magnetosphärische Aktivität bedeutsame erdferne X-Punkt (,,reconnection (s.u.) bei Dungey) Schnitt durch die Magnetosphäre der Erde

10 Wechselwirkung Sonnenwind/Erdmagnetosphäre (1) Modell von Sir Ian Axford & Colin Hines: Grundidee: Viskose Reibung an den Flanken Modell von Axford & Hines (die Sonne ist links) Zeitlicher Ablauf kann Bildung des Aurora-Ovals erklären wesentlicher Effekt: Konvektion von Magnetfeldlinien zur Tagseite aber: rein hydrodynamische Wechselwirkung interplanetares Magnetfeld (IMF) hat keinen Einfluß

11 Ergänzung durch Rolf Boström: mit dem Konvektionsmuster ist ein magnetfeldparalleles Stromsystem verbunden (,,Birkeland-Ströme ) entlang des Stromsystems können Elektronen beschleunigt werden diese regen in der Ionospäre zu Leuchterscheinungen an Aurora (2) Modell von James Dungey: Konvektion und Birkeland-Ströme Grundidee: Änderung der Topologie des Magnetfeldes auf der Tagseite: Neuverknüpfung antiparalleler Magnetfeldlinien (orange: Nichtidealität ( E + v B 0)) Prozess ermöglicht auch eine magnetische Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und Magnetosphäre

12 die Art der Wechselwirkung hängt von der Richtung des IMF ab: Komponente des IMF senkrecht zur Ekliptik südwärts: 1,,magnetic merging (Verschmelzung) des IMF mit dem Dipolfeld auf der Tagseite 2 Konvektion der Feldlinien über die Pole hinweg 3,,reconnection (Wiederverbindung) der Feldlinien im Schweif 4,5,6 Konvektion der Feldlinien zur Tagseite Zeitlicher Ablauf

13 Komponente des IMF senkrecht zur Ekliptik nordwärts: Prozess läuft geringfügig anders ab als in Dungeys Modell: 0 kein,,magnetic merging, da Felder parallel 1 stattdessen merging in der Nähe des Cusp 2,3,4 Konvektion der Feldlinien schweifwärts Zeitlicher Ablauf kann auch die Abhängigkeit von der Richtung des IMF erklären,,magnetic merging und,,reconnection sind der gleiche Vorgang grundlegender Prozess der magnetischen Rekonnexion bei nordwärts gerichtetem IMF ist die Konvektion zur Tagseite nur durch eine viskose Kopplung gemäß Axford & Hines möglich an beiden Modellen falsch: Ausdehnung auf der Nachtseite viel zu klein!

14 Magnetosphärische Aktivität: von grundlegender Bedeutung: magnetische Rekonnexion an magnetischen Neutral- oder X-Punkten: N1: auf der Tagseite, N2: erdferner und N3: erdnaher Neutral-Punkt Magnetische X-Punkte (Neutralpunkte) (geomagnetischer) Teilsturm, Ausbildung von Plasmoiden: Ausbildung und Beschleunigung von Plasmoiden gleichzeitig erdwärts: Birkland-Ströme Aurora

15 Jupiter Vergleich der Magnetosphären von Erde und Jupiter: Die Jupiter-Magnetosphäre ist erheblich größer: / 300/500R J 30/50R größtes Objekt im Sonnensytem von der Erde aus: Winkeldurchmesser je nach Abstand von der Erde bis mal so groß wie der der Sonne wäre somit, falls sichtbar, auch am Nachthimmel das größte Objekt der Schweif reicht bis über die Saturnbahn Ausdehnung der Jupiter-Magnetosphäre die Jupiter-Mgsph. wird wesentlich durch die schnelle Rotation bestimmt: Magnetopausenabstand auf der Tagseite 100R J (ggü. 11R E ) Korotation bis etwa 20R J (Erde: 4R E ) verformte Plasmaschicht mit starker Stromschicht in der Mitte Jupiter hat den aktiven Mond Io (Details: s.u.): Der Io-Plasmatorus und das Stromsystem

16 Io ist infolge seiner Vulkane eine starke Quelle geladener Teilchen Ausbildung des Io-Plasma-Torus entlang seiner Bahn dichte Plasmaschicht in der Jupiter-Magnetosphäre magnetische Wechselwirkung zwischen Io und dem Jupiter-Magnetfeld Stromsystem zwischen Io und Jupiter Radiostrahlung und Io-Fußpunkt in Jupiters Aurora Aufbau und Ausdehnung der Jupiter-Magnetosphäre: Prinzipieller Aufbau und Größenvergleich

17 Modell der WW zwischen Io und Jupiter: Alfvén-Flügel 1:2:4-Bahnresonanz der Monde Io, Europa und Ganymed infolge hieraus resultierender Bahnexzentrizitäten wird Io durchgewalkt Io ist der vulkanisch aktivste Körper im Sonnensystem Plasmawolke (1 Tonne/s) um Io herum, Torus entlang seiner Bahn Io besitzt eine leitfähige Atmosphäre Umlaufszeiten: Io um Jupiter (Kepler-Bahn): 42 1/2 Stunden Magnetosphäre (korotiert): knapp 10 Stunden Io wird vom magnetosphärischen Plasma mit v = v rel überholt Konsequenz: Io stört Jupiters Magnetfeld Störungen breiten sich in Form von Alfvén-Wellen entlang ± B aus, Ausbreitungsgeschwindigkeit ist v A = B/ µ 0 ρ (ρ: Plasmadichte) Betrachtung in Io s Ruhesystem: das magnetosphärische Plasma strömt von links nach rechts: v rel die Farben deuten individuelle Magnetfeldlinien Jupiters an: B trifft eine Feldlinie auf Io (zuerst die hellgrüne), erfährt sie eine Störung während sich die Störung mit ±v A entlang der Feldline ausbreitet, bewegt sich die Feldline mit v rel nach rechts jede nachfolgende Feldlinie verhält sich ebenso

18 es ergibt sich eine stationäre (Feldlinien ununterscheidbar), dreieckige Struktur (Überlagerung zweier Bewegungen: Feldlinien, Störung ) Alfvén-Flügel: die farbigen Bereich markieren die sog. Charakteristiken: grün (oben): c ( ) A = v rel v A, rot (unten): c (+) A = v rel + v A sie sind der Bereich der Störung dort fließt ein Strom j = j B/ B entlang des Magnetfeldes entlang j können Instabilitäten zur Beschleunigung der Elektronen führen: (Dekameter-)Radiostrahlung, Io-Fußpunkt in Jupiters Aurora (links):

19 Saturn Die Saturn-Magnetosphäre Merkmale Saturns und seiner Magnetosphäre: von der Erde aus sichtbares Ringsystem, der größte Ring, der E-Ring, ist jedoch wegen seiner geringen Dichte nicht zu erkennen einige Ringe werden von kleinen,,schäferhund-monden begrenzt in den Ringen bilden sich durch eine Wechselwirkung des Staubes mit dem Magnetfeld umlaufende Speichenstrukturen Aurora und Radiostrahlung (im Hekto- und Kilometerbereich) qualitativ Jupiter vergleichbar, aber keine Fußpunkte der Monde Saturn-Aurora

20 einziger Planet ohne nennenswerte Dipolneigung Saturn besitzt zahlreiche Eismonde, sowie mit Titan den einzigen Mond, der eine dichte Atmosphäre besitzt; sie sind Quellen für einige der Ringe und von Gas-Tori entlang ihrer Bahn: Die innere Saturn-Magnetosphäre Encéladus: speist den E-Ring mit Wasser(eis), Staub, Wasserstoff (vor allem als H 2 ) sowie OH Thetys und Dione: Gastorus (H + und O + ) zwischen beiden (innerhalb des E-Rings) Rhea: bislang einziger bekannter Mond mit einem (Staub-)Ring um seinen Äquator Titan: dichter Wasserstoff-Torus, reicht bis an die Magnetosheath Das Ringsystem schematisch

21 Der Eismond Encéladus hat mächtige Geysire nahe des Südpols: starke Quelle von Teilchen (v.a. Wasser und Staub) Encéladus ist in erster Linie die Hauptquelle des E-Rings in zweiter Linie:,,Eisregen auf die Oberfläche erklärt Albedo von nahezu eins erhebliche Asymmetrie zwischen Nord- und Südhalbkugel erste numerische Simulationsrechnungen mit dieser Massenquelle (links) zeigen, dass sich auch hier ein Stromsystem ausbildet (rechts) zweites Stromsystem in der Südhemisphäre eine zweite Massenquelle ist Titan (Atmosphäre!) weiter aussen

22 Uranus die extreme Dipolneigung von 58.6 führt dazu, dass sich das Aurora-Oval in Äquatornähe befindet, der magnetische Äquator dagegen bis in hohe Breiten reicht: Die Magnetfeldstärke an der Oberfläche des Uranus in Kombination mit der Neigung der Rorationsachse von 97.8 (Uranus rotiert etwa in seiner Bahnebene) ergibt sich eine fast erdähnliche Magnetosphäre, die allerdings mit der Rotationsperiode von 17.2 Stunden zwischen zwei Konfigurationen hin- und herpendelt, Die beiden,,grenz -Konfigurationen der Uranus-Magnetosphäre sie entsprechen einer Dipolneigung von etwa ±30

23 Neptun Plasmaquelle (Geysire) und -senke zugleich (,,Sweeping -Effekt auf stark geneigter Umlaufbahn) ist der Mond Triton: Geysire auf Triton: künstl. Darstellung (li.) & Voyager-Aufnahmen (re.) die Neptun-Magnetosphäre verändert sich noch stärker als die von Uranus, insbesondere kommt auch eine,,pole-on -Magnetosphäre vor: Zwei mögliche Magnetosphären-Konfigurationen und die Bahn Tritons Rekonnexion in der Neptun-Magnetosphäre

24 Das Sonnensystem in Überblick Abstände des Bugschocks und Ausdehnung der Iono- bzw. Magnetosphären: drei Arten der Wechselwirkung: unmagnetisierte, nicht-leitende Körper: Hindernis = Oberfläche nur hier trifft der Sonnenwind auf die Oberfläche unmagnetisierte, leitende Körper: Hindernis = Ionopause magnetisierte Körper: Hindernis = Magnetopause Magnetosphären sind ein Schutzschild gegen den Sonnenwind

25 Extrasolare Planeten bislang (Mai 2008) wurden 287 Planeten um andere Sterne entdeckt gemessen in Sternradien umkreisen etwa 40% davon ihren Zentralstern auf Bahnen innerhalb der von Merkur (Abstand R ), 12% sogar innerhalb von 10 R in der Regel handelt es sich um Planeten, deren Masse und Radius im Bereich der von Jupiter liegt,,heiße Jupiter Vergleich extrasolarer Planetensysteme mit dem Sonnensystem befindet sich der Planet innerhalb des Alfvén-Radius (der Abstand, an dem der Sternwind die lokale Alfvén-Geschwindigkeit erreicht), so können Stern und Planet magnetisch miteinander wechselwirken: Künstl. Darstellung einer Wechselwirkung zwischen Stern und Planet (li.) und numerische Simulationen des Stromsystems (re.)

26 Die magnetische Wechselwirkung zwischen Stern und Planet: Modell von [Preusse, Kopp, Büchner & Motschmann, 2006]: das Magnetfeld des Sterns ist eine Parker-Spirale der Planet umläuft den Stern schneller als dieser rotiert er stört das Magnetfeld diese Störung breitet sich entlang c ( ) A aus Stromsystem j entlang B während die Störung zum Stern läuft, bewegt sich der Planet weiter in der Photosphäre des Sterns wird ein sogenannter,,hotspot erzeugt Planet und Hotspot laufen um φ phasenverschoben über die Sternscheibe: Theoretisches Modell am Beispiel der Planeten HD b (li.) und υ And b (re.) φ c : Winkel zwischen Anfangs- und Endpunkt der Charakteristik c ( ) A φ p : vom Planeten bis τ c (Auftreffen der Charakteristik) zurückgelegter Winkel Numerische Simulationen für das System HD [Kopp, Schilp & Preusse, 2008] das Modell kann die von [Shkolnik et al., 2003 & 2005] beobachteten Phasenwinkel von 60 bzw. 169 Grad für beide Sterne erklären