Warum Space Physics?

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1 Warum Space Physics? Plasmaphysik in einem natürlichen Anwendungsbereich komplexes natürliches System (kein Labor) dennoch sehr anschauliche Beispiele für grundlegende plasmaphysikalische Konzepte Speicherung und Umwandlung von magnetischer Energie magnetischer Zug und Druck Feldlinienverschmelzung stossfreie Stosswellen Magnetohydrodynamischer Dynamo Space Physics SS 05 1

2 Allgemeines Vorlesung jeweils Freitag 8-10 Uhr ergänzende Infos unter stud.ip sowie im Netz unter dort finden sich auch Hinweise auf Internet-Ressourcen (Skripte, Tutorial, interaktive Programme ) keine formalen Übungen aber Aufgabenzettel im Netz Musterlösungen zu einigen der Aufgaben Aufgabensammlung vor der Klausur Leistungsnachweis: Klausur am Ende der Vorlesungszeit oder in der vorlesungsfreien Zeit Space Physics SS 05 2

3 Literatur Kallenrode, M.-B., 1998/2001/2004: Space Phyics, Springer, Berlin Brekke, A., 1997: Physics of the upper polar atmosphere, Wiley, Chichester Brekke, A. and A. Egeland, 1983: Northern lights, Springer, Berlin Campbell, W.H., 1997: Introduction to geomagnetic fields, Cambridge University Press, Cambridge Chen, F.F., 1984: Plasma physics and controlled fusion, Plenum Press, New York Cravens, T.E., 1997: Physics of Solar System Plasmas, Cambridge University Press, Cambridge Dendy, R.O., 1990: Plasma dynamics, Oxford Science Publications, Oxford Eather, R.H., 1983: Majestic Lights, American Geophysical Union AGU, Washington Goldston, R.J., and P.H. Rutherford, 1995: Plasma physics, IOP, Bristol Kippenhahn, R. and C. Möllenhoff, 1975: Elementare Plasmaphysik, BI- Wissenschaftsverlag, Mannheim Kivelson, M.G. and C.T. Russell (eds.), 1995: Introduction to space physics, Cambridge University Press, Cambridge Lang, K., 1995: Sun, earth and sky, Springer, Berlin Parks, G.K., 1991: Physics of Space Plasmas, Addison-Wesley, Reading MA Stix, T.H., 1992: Waves in plasmas, American Institute of Physics, New York Treumann, R.A., and W. Baumjohann, 1996: Advanced Space Plasma Physics, Imperial College Press, London Space Physics SS 05 3

4 Internet Ressourcen Simulation von Plasmen: einige Tutorials: SpacePhysics TextBook Oulu: NASA: ESA: Linksammlungen: Virtual Solar Observatory: Plasma Physik Seite des Naval Research Lab: Space Weather Ressources: ml Space Physics SS 05 4

5 Definition eines Plasma ein Plasma ist ein Gas mit folgenden Eigenschaften: es enthält auch geladene Teilchen die Dichte ist gering genug, so dass elektromagnetische Kräfte zwischen den Teilchen wirken können ein Plasma ist quasi-neutral: die Zahl der positiven und der negativen Ladungen ist ungefähr gleich ein Plasma kann mit sich selbst wechselwirken! ein Plasma wird durch äußere und innere elektromagnetische Felder bestimmt Vielzahl von Wellen Space Physics SS 05 5

6 Warum Plasmen? 99% der Materie des Weltalls sind Plasmen die obere Atmosphäre, Blitze, das flüssige Erdinnere sind Beispiele für natürliche Plasmen in der direkten Umgebung technische Anwendungen Fusionsreaktor: wie schließt man ein heißes Plasma breührungsfrei ein? Schweißen Halbleiterherstellung Space Physics SS 05 6

7 Alles ganz intuitiv? Sonnenfleck: Kaltes Gas (4000K) in einer heißen (5800K) Umgebung Langlebig (etliche solare Rotationen) Stabilität durch Magnetfeld: Magnetischer Druck kompensiert den Unterschied im gasdynamischen Druck Space Physics SS 05 7

8 Alles ganz intuitiv II Yohkoh Soft X-rays Filament: Kalter Materiebogen hoch über der Photosphäre in heißer Korona Keine Vermischung mit der Umgebung Kein Absinken Gelegentlich Ausbruch Magnetischer Zug hält die Materie gegen die Schwerkraft, magnetischer Druck verhindert eine Vermischung mit der Umgebung Space Physics SS 05 8

9 Blick in verschiedene Schichten der Sonne Temperaturschichtung der Korona bewirkt, dass unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Höhen emittiert werden Space Physics SS 05 9

10 Und alles sehr dynamisch I: Sonne Die Sonne als Plasmaquelle: Sonnenwind, energiereiche Teilchen und koronale Massenauswürfe Space Physics SS 05 10

11 Und alles sehr dynamisch II: Sonne Die Sonne als Plasmaquelle: Sonnenwind, energiereiche Teilchen und koronale Massenauswürfe Space Physics SS 05 11

12 Und alles sehr dynamisch III: Magnetosphäre Die Magnetosphäre entsteht aus der Wechselwirkung des Sonnenswindes mit dem geomagnetischen Feld Fluktuationen und Störungen im Sonnenwind bewirken Veränderungen der Magnetosphäre Space Physics SS 05 12

13 Und alles sehr dynamisch IV: Polarlichter entstehen durch die Wechselwirkung der während eines geomagnetischen Sturms beschleunigten Teilchen mit der Atmosphäre Space Physics SS 05 13

14 Und alles sehr dynamisch V: Space Physics SS 05 14

15 Terrestrische Konsequenzen Ionisation der Atmosphäre Veränderungen Atmosphärenchemie Einfluss auf das Klima Space Physics SS 05 15

16 Zusammengefasst: Die Sonne als Plasmaquelle: Sonnenwind, energiereiche Teilchen und koronale Massenauswürfe Die Magnetosphäre entsteht aus der Wechselwirkung des Sonnenswindes mit dem geomagnetischen Feld Polarlichter entstehen durch die Wechselwirkung der während eines geomagnetischen Sturms beschleunigten Teilchen mit der Atmosphäre Space Physics SS 05 16

17 Lerneinheiten 1. Was sind Plasmen? 6. Sonne und Sonnenwind 2. Bewegung geladener Teilchen in 7. Energiereiche Teilchen elektromagnetischen Feldern 8. Magnetosphären 1. Gyration 9. Planetare Magnetosphären 2. Drift 10. Solar-Terrestrische Beziehungen 3. Adiabatische Invarianten 11. Instrumente 3. Magnetohydrodynamik 12. Physik in komplexer Umwelt 1. Magnetischer Zug und Druck 2. Eingefrorene Magnetfelder 3. Feldlinienverschmelzung 4. Magnetohydrodynamischer Dynamo 4. Plasmawellen 5. Kinetische Theorie Space Physics SS 05 17