Das Erdmagnetfeld. Das Aussenfeld der Erde besteht aus: der Magnetosphäre dem Van Allen Gürtel der Ionosphäre

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1 Das Aussenfeld der Erde besteht aus: der Magnetosphäre dem Van Allen Gürtel der Ionosphäre 1

2 Das Aussenfeld >>> Magnetosphäre Der Sonnenwind besteht aus elektrisch geladenen Teilchen (Elektronen, Protonen). Geschwindigkeit relativ zur Erde 400 km/s. Bei dieser Ultraschallgeschwindigkeit (ultrasonic velocity) bildet sich eine Schock-Welle auf der sonnennahen Seite der Erde (= Magnetopause) Die Teilchen des Sonnenwindes (wie elektrischer Strom) verursachen Magnetfelder Das Erdmagnetfeld wird auf der Tages-Seite verstärkt und auf der Nacht-Seite abgeschwächt Die Feldlinien bilden eine tränenartige Form, die sich bis zu km erstreckt (ca. 8 Erdradien) 2

3 Magnetosphäre Magnetopause Sonnenwind E Van Allen Gürtel Distanz [Erdradien] magnetischer Äquator Magnetopause 3

4 Das Aussenfeld >>> Van Allen Gürtel (Höhe: km) Ionen des Sonnenwinds (sowie aus der Ionosphäre) werden im Erdmagnetfeld gefangen. Die Ionen werden gezwungen, entlang magnetischer Feldlinien schraubenartig von Pol zu Pol zu wandern. Es bilden sich Gürtel mit intensiver Strahlung: Van Allen Gürtel innerer Gürtel: r = R ( km Höhe) äusserer Gürtel: r = R ( km) Die magnetischen Effekte auf der Erdoberfläche sind aufgrund der grossen Entfernung gering. (Magnetic effect small at earth s surface) 4

5 Van Allen Gürtel Dipolachse Innerer Van Allen Gürtel Distanz (Erdradien) Magnetischer Äquator Äusserer Van Allen Gürtel 5

6 Die Bewegung der eingefangenen geladenen Partikel im erdmagnetischen Feld Aurora Borealis Gürtel Aurora Australis Gürtel geomagnetische Achse magnetischer Äquator Dipol- Feldlinien 6

7 Das Aussenfeld >>> Van Allen Gürtel (Höhe: km) Beweis durch Argus-Experiment (1958): Drei kleine Atombomben wurden hoch über der Atmosphäre im Südatlantik gezündet. Die Teilchen folgten den Feldlinien bis r = 2R (6 400 km Höhe) und kehrten im gleichen Breitengrad auf der Nordhemisphäre zurück - Aurora. 7

8 Das Aussenfeld >>> Ionosphäre (Höhe: km) Die Ultra-violett (UV)-Strahlung der Sonne ionisiert die Moleküle der oberen Atmosphäre. Ionisierte Schichten (layers) bilden sich in Höhen von km: (D), E, F1, F2, (G) = 5 Schichten. Die dichtesten Schichten sind in Höhen km: (D), E, F1, F2. Funkamateure reflektieren Radiowellen von der E- und F-Schichten (nur langwellige Wellen, die kurzwelligen entweichen ins All). Die ionisierten Moleküle setzen Elektronen frei, die sich den Feldlinien entlang bewegen. Die sich bewegenden Elektronen bilden Stromkreise, die Magnetfelder erzeugen - spürbares Aussenfeld an der Erdoberfläche. 8

9 Änderung der Ionosphäre während eines Tages F 2 Schicht F 1 Schicht F Schicht E Schicht Sonnen- strahlung Nordpol Erdrotation Tag Nacht 9

10 Tägliche Variation des Erdmagnetfeldes Infolge der Erddrehung schwanken die Magnetfelder der Ionosphäre während des Tages >>> S Q (= solar quiet variation) Sonnenflecken lösen immense Strahlung (+ Sonnenwind) aus >>> Verstärkung des Erdmagnetfeldes >>> S D (= solar disturbed variation) S D kann magnetische Stürme mit Intensitäten von nt entsprechen. Die tägliche Variation und magnetische Stürme sind breiten-abhängig (stärker am Pol). Während magnetischen Stürmen muss die magnetische Prospektion eingestellt werden, und die Ausbreitung der Radiowellen ( Kurzwelle ) wird gestört. 10

11 Tägliche Variation des Erdmagnetfeldes Solar quiet variation S Q Mittagszeit Nord- Komponente (X) Ost- Komponente (Y) vertikale Komponente (Z) 11

12 Tägliche Variation des Erdmagnetfeldes: Beispiel eines magnetischen Sturms (13. Mai, 2005). 12

13 Beispiel eines magnetischen Sturms (13. Mai, 2005). 13

14 Beispiel eines magnetischen Sturms (13. Mai, 2005). 14

15 Innenfeld: Ursprung im Erdinnern >99% des gesamten Erdfelds. W = n R! r $ µ R o " # R% & + n=1 m=0 n n R! R$ µ o " # r % & n=1 m=0 ( ) + H m n sin( mθ) ( ) )* G m n cos mθ +, P m n cosφ n+1 ( ) + h m n sin( mθ) )* g m n cos mθ +, P m n cosφ R φ φ φ φ θ ( ) θ Dipolfeld: 94% des Erdmagnetfelds Nichtdipolfeld: 5% des Erdmagnetfelds 15

16 Innenfeld Die Analyse von Gauss (1839) stellt das Innenfeld als eine Überlagerung von Multipol-Feldern dar: Dipol, Quadrupol, Oktupol, = g 0 1 Pole, = g 0 2 Pole, = g 0 3 Pole, g 0 n n = 1 n = 2 n = 3 n Diese Felder sind rotationssymmetrisch um eine Achse. 16

17 a) Dipol b) Quadrupol c) Oktupol das Dipolfeld 94 % des Totalfeldes an der Erdoberfläche das Nichtdipol-Feld (NDF) (zusammen mit Komponenten höherer Ordnung) 5 % des Totalfeldes 17

18 Achse der Rotationssymmetrie a) Dipol b) Quadrupol c) Oktupol zonale harmonische Komponente 18

19 Innenfeld: das Dipolfeld. g 1 0 beschreibt die stärkste Feldkomponente und das Dipolfeld welches entlang der Erdrotationsachse zentrierst ist. axis Radiale und tangentiale Komponenten des Erdmagnetfelds B: r θ m B r = W r = µ o 4π 2m cos θ r 3 B θ = 1 r W θ = µ o 4π msinθ r 3 Dipol 19

20 Totalfeld Dipolfeld = Nichtdipolfeld (NDF) Das NDF sieht aus wie ein System von wirbelförmigen Anomalien. Um jeden Breitenkreis findet man etwa 1-2 positive und 1-2 negative Anomalien. Die Anomalien sind stark; lokale Werte bis zu nt. Das NDF ändert langsam mit der Zeit >>> Säkularvariation Das NDF besteht aus: - einem stationären Anteil und - einem sich bewegenden Anteil. 20

21 Das Erdmagnetfeld 21

22 Säkularvariation: Beispiel Paris und London 22

23 Die geomagnetischen Feldelemente Nord Das Feld kann mit kartesischen Koordinaten beschrieben werden: X (Nord), Y (Ost), Z (vertikal unten) X H oder mit Kugelkoordinaten 2222TXYZ =++ D (Deklination), I (Inklination), T (Totalintensität). D I Y Ost tan D = Y X T Z tan I = X 2 +Y 2 ( ) T = X 2 + Y 2 + Z 2 Z Vertikal 23

24 Die Deklination des Feldes Eine freischwingende Kompass-Nadel zeigt nicht genau in Richtung des geographischen Nordpols. Der Winkel zwischen geographisch und magnetisch Nord heisst Deklination D. Der magnetische Nordpol liegt im Norden Kanadas - Geomagnetische Pole (2001): 81.0 N W 64.6 S E magnetisch Nord geographisch Nord D 24

25 Die Deklination des Feldes (2000) Dip pole 25

26 Dipolachse I An der Erdoberfläche ist die Feldrichtung durch den Winkel I zum Horizont bestimmt; I ist die Inklination: θ λ Äquator tani = B r B θ = 2 cot θ For a purely dipole field! Dipol- Feldlinie I wird als positiv nach unten definiert (Nordhemisphäre der Erde) 26

27 Earth s Magnetic Field Inklination (2000) 27

28 Die Einheit des Magnetfeldes ist: [B] = Ns Cm = N Am = Tesla (T) Ein Feld mit 1 Tesla ist sehr stark (z.b. Elektromagnet). Als praktischere Einheit wird das nanotesla (nt) verwendet: 10-9 Tesla = 1 nanotesla = 1 nt [= 1 gamma] Also used is the H field In a vacuum B=µ 0 H Inside magnetic materials is more complicated! 28

29 Wenn nur der Dipolanteil des Innenfeldes betrachtet wird: rotationssymmetrisch um Achse 1) Achse des Dipols ist um ca geneigt gegenüber der Erdrotationsachse. 2) Modellierte Magnetfeld 81.0 N, W 64.7 S, E Dipolintensität: am Äquator: nt am Pol: nt in Zürich: nt 29

30 Intensität (2000) 30

31 Geomagnetische Achse Rotationsachse Geographischer Nordpol ~70'000 nt λ λ 11.4 λ λ ~30'000 nt Geomagn. Äquator Geopgraph. Geograph. ~60'000 nt 31