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Bei diesem Projekt geht es um das Kalibrieren und Auswerten von Cluster-II Satellitendaten, die der Erklärung von Substorms und im weitesten Sinne der Enstehungsprozesse von Nordlichtern dienen. Das Projekt wurde am Institut für Weltraumforschung in Zusammenarbeit mit Dr. Rumi Nakamura und Dr. Alessandro Retino umgesetzt. Die Programmierung der Tools erfolgte in [IDL].


Das Magnetfeld der Erde

5 magnetosphere.jpg

Das Magnetfeld der Erde schützt unseren Planeten vor den kosmischen Strahlungen und den hochenergetischen Teilchen der Sonne. Es kann als riesiger Stabmagnet angesehen werden, bei dem die Magnetfeldlinien vom magnetischen Süd- zum Nordpol verlaufen.

Die Form des Magnetfeldes wird vor allem durch die mit 300 - 800km/s schnellen (in Ausnahmefällen auch bis zu 2000km/s schnell) Sonnenwinde geprägt. Durch diese kommt es an der Sonnenseite zu einer Stauchung der Magnetosphäre auf ca. 10 Erdradien und auf der Nachtseite zur Bildung eines Magentschweifes von bis zu 100 Erdradien.






Substorms

Durch die Ausbildung des Schweifes, des vorbeiströmenden Sonnenwindes und deren Wechselwirkung kommt es zu einem Dynamoeffekt und zur Ausbildung von Strömen. Dadurch kommt es zu einem Energiefluss dieses Dynamos in die Magnetossphäre. Der Sonnenwind und die Ströme in den Schweiflappen führen zu starken Verzerrungen der Feldlinien in der Plasmaschicht des Magnetschweifs. Wenn diese Verzerrungen zu stark werden (die Vorgänge sind im Detail noch nicht verstanden), kann es zu Abschnürungen durch magnetische Rekonnexionen kommen - die erdnäheren Teile der Feldlinien schließen sich zu dipolähnlicheren Feldlinien, während die erdferneren Teile ein Plasmoid bilden, ein plasmagefülltes Raumgebiet mit in sich geschlossenen Feldlinien. Diese Plasmoids bewegen sich dann auf die Erde zu und verursachen in weitere Folge die Polarlichter. Zur Beschreibung dieses Phänomens liegen im Moment zwei Modelle vor

  • NENL Model

Das NENL-Modell (Near-Earth Neutral Line) geht davon aus, dass in 25 Erdradien ein Rekonnexionsprozess einen Teilsturm auslöst, der große Energiemengen in die innere Magnetosphäre transportiert. Diese werden dort in thermische Energie umgewandelt, die entlang der Plasmaschichtgrenze um die Erde geleitet wird. In der Schleife des Teilchensturms entstehen dabei die Ströme entlang der Erdmagnetfeldlinien.

  • Current-Disruption Model

Nach der CDM-Theorie (Current-Disruption Model) führt eine örtliche Instabilität im Plasma der sonnenabgewandten Seite in einem Abstand von etwa zehn Erdradien (57.400 km von der Erde entfernt) zu einer Unterbrechung im Schweifstrom der Magnetosphäre, die über die tagseitige Ionosphäre abgeleitet wird. Das führt zu einer „Verdünnungswelle“, die in einem Abstand von 25 Erdradien (153.072 km) zu einer plötzlichen Änderung in der Magnetfeldstruktur im Schweif, Rekonnexion, führt.

Zur genaueren Untersuchung dieser Phänomene wurde im Jahre 1996 die ClusterII Mission in die Erdeumlaufbahn entsannt. Hierbei bilden 4 Satelliten in veränderbarem Abstand (25 - 500km) Messstationen zur detailierten Untersuchung von Elektronen- und Ionenströme, Magnetfeldmessungen, Plasmadichtebestimmungen usw... In einem größeren Umfang untersucht die THEMIS Mission die Vorgänge der Rekonnexion. Sie umfasst 5 Satelliten die in großem Abstand in den verschiedenen Zonen des Magnetschweifes Messungen durchsuchen. Hierzu befinden sich die Satelliten auf Umlaufbahnen in denen sie sich alle 4 Tage in einer Linie im Magnetschweif der Erde befinden. Dadurch können zeitliche Abläufe während der Rekonnexion verstanden werden und es gab schon erste Erkenntnisse das die meisten Vorgänge einem im NENL beschriebenen Model ähnlich sind. Eine zukünftige Mission die sich mit diesen Vorgängen auf mikrokopischer Ebene befasst stellt das MMS Projekt dar. Hier wird versucht die Vorgänge auf Elektronenebene zu verstehen.

Datengewinnung

Ein wesentlicher Punkt in der Auswertung der Clusterdaten besteht darin, diese richtig zu kalibrieren und den zeitlichen Ablauf sowie die Position der Satelliten in der Magnetossphäre zu bestimmen. Untersuchungen konzentrieren sich auf die Abläufe während einer Rekonnexion, den detailierten Verlauf der Ströme und Magnetfeldlinien sowie die Ursachen für die auftrettenden Instabilitäten.

Hierzu wurden im folgenden die Daten aus 3 Geräten herangezogen

Die Daten von PEACE stellen im wesentlichen den Grundstein der Untersuchungen dar. Es handelt sich dabei um ein Gerät zur winkelverteilten und energieaufgelösten Messung von Elektronen und Ionen. Der abgedeckte Energiebereich reicht von 20eV bis 22keV und eine Winkelauflösung von 11° kann erreicht werden. Leider kann mit PEACE nur eine zeitliche Auflösung von 100ms erreicht werden. Es können jedoch für alle Winkel und alle Energiebereiche Messungen durchgeführt werden. Ein großer Vorteil des EDI stellt die zeitlich maximale Auflösung von 16ms dar. Im Gegenzug kann nur ein Energiebereich von 400 bis 500eV und Winkel von 0, 90 und 180° abgedeckt werden. Dies entspricht aber genau dem Energiebereich der langsam nach aussen fliessenden Elektronen, was also für diese Untersuchungen in Kombination mit PEACE ausreichend ist. Beide Instrumente ermöglichen eine Winkelabhängige Messung der Elektronen bzw. Ionen. Der Aufbau der Instrumente erlaubt ein gleichzeitiges Messen von 2 Messkanälen die sich genau gegenüberliegen. Der Satellit rotiert mit einer Geschwindigkeit von 0.25 rps (Umdrehungen pro Sekunde). Die Daten aller an den vier Cluster-II Satelliten beteiligten Instrumente sind frei im Cluster Active Archive verfügbar.

Die Kombination der FGM und EDI Messdaten ermöglicht eine genaue Bestimmung der Flugbahn der Satelliten durch die verschiedenen Zonen des Magnetschweifes. Es wird nach Möglichkeit versucht nur Daten zu untersuchen in welchem sich die Satelliten im hochauflösenden Modus und in der Rekonnexionsregion im Schweif befinden. Weitere wichtige Regionen wären zum Beispiel ein überschreiten der Separatrix und durchqueren des Jetflows. Unter Separatrix kann man im wesentlichen die erste wieder verbundene Magnetfeldlinie verstehen.

Datenkalibrierung

Die Daten des CAA werden als CDF Files zur Verfügung gestellt und stehen wie bereits erwähnt jedem frei zum Download bereit. Die Daten müssen jedoch erst winkelabhängig korrigiert werden da sich der Satellit ja andauernd in Bewegung und Rotation befinden. Im Anschluss muss eine weitere Anpassung der Daten erfolgen da die Effizienz der Detektoren bei dieser Winkelabhängigen Kalibrierung noch nicht berücksichtigt wurde. Aufgrund der Neuheit der Daten muss diese Anpassung jedoch ohne die Entwickler erfolgen, da diese sozusagen über ein Erstauswertungsrecht verfügen. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten:

  • Multiplikation mit konstanten Faktoren
  • Addition eines konstanten Offset
  • Offset der bei konstantem Magnetfeld errechnet wird
  • Faktor der bei konstantem Magnetfeld errechent wird
  • Zusammenfassung und Anpassung von benachbarten Datenpacketen

Eine solche Kalibrierung ist im allgemeinen jedoch mit äusserster Vorsicht zu genießen und muss von Fall zu Fall unterschiedliche bewertet und durchgeführt werden. Im folgenden wird auf das Vorgehen an Hand eines Ereignisses vom 24.August 2005 zwischen 10.00 und 11.00 Uhr näher erläutert.

Kalibrierung des Cluster-1
Kalibrierung des Cluster-2
Kalibrierung des Cluster-3

Die erste Zeile der Grafen stellt hier jeweils das Magetfeld in x, y, und z-Richtung sowie den Betrag des Feldes dar. Dies dient zur Zuornung der Ereignissen. Die Zeilen zwei und drei enthalten die jeweiligen Kalibrationsschritte für die paralellen und antiparallen Teilchen dar. Spalte eins enthält im wesentlichen die Rohdaten, während die Daten in Spalte zwei bereits winkelabhängig über ein bereitgestelltes Konfigurationsfile korrigiert wurden. Spalte drei zeigt Daten die bereits individuel adaptiert wurden. In diesem Fall wurde der Bereich von 10:00 bis 10:05 Uhr herangezogen, da hier das Magentfeld konstant und keine nennenswerten Fluktuationen aufwies. Rot und Schwarze Datenpunkte stehen für die beiden Detektoren die zeitlich auf jeweils gegenüberliegenden Seiten messen. Die vierte Spalte zeigt die Anisotropie der parallelen und antiparallelen Teilchen. Diese Kalibrierung wird im folgenden bei allen verwendeten Daten durchgeführt.

Datenauswertung

Nach der Kalibrierung der Daten geht es nun im wesentlichen um das Auffinden von Ereignissen in denen es zu Rekonnexion oder durchqueren interessanter Regionen gekommen ist. Hierzu werden PEACE und EDI Daten herangezogen und grob größere Zeiträume nach Grenzphänomenen untersucht. Konnte so ein Ereigniss ausgemacht werden, beginnt man, sich die Daten für die parallel und antiparallel fliegenden Teilchen genauer anzusehen. In Kombination mit den zu diesen Zeitpunkten vorliegenden Magnetfeldern kann eine zeitliche Abfolge der Ereignisse rekonstruiert werden.

PEACE Daten

Cluster-1
Cluster-2
Cluster-3

Die Daten aus PEACE werden wie bereits erwähnt in 13 Winkelkanälen dargestellt. Um diese Daten mit EDI zu vergleichen wird der Energiebereich auf 430 bis 540eV begrenzt. Es werden nun zeitlich aufgelöst die Phasenraumdichte in den verschiedenen Kanälen dargestellt. Wichtig sind auch hier im Graph der oberste und unterste Kanal. Für Cluster-1 kann schön erkannt werden das diese zwischen 10:27:24 und 10:27:28 Uhr stark zunimmt, was auf ein durchqueren einer Grenzschicht hindeutet. Dies gilt wie ersichtlich auch für Cluster-2 und Cluster-3.

EDI Daten

Überlicksplot Cluster-1
Überlicksplot Cluster-2
Überlicksplot Cluster-3

In den hier angeführten Überblicksplots wird in der ersten Zeile wieder das Magnetfeld als Orientierung angegeben. Zeile zwei zeigt die zeitlich in 16ms aufgelösten EDI Daten sowie deren Anisotropie in Zeile drei. Als vergleich werden in Zeile vier und fünf die PEACE Daten (100ms aufgelöst) dargestellt. Es wird hier bereits klar ersichtlich das Features wie bei Cluster-1 um 10:27:26 in PEACE zwar noch erkennbar, jedoch mittels EDI weit besser aufgelöst werden können. Detailierte Informationen der Features können aus den folgenden Detailplots entnommen werden

Detailplot Cluster-1
Detailplot Cluster-2
Detailplot Cluster-3

Beobachtete Grenzschichten

Wie nun ersichtlich ist bewegen sich die Satelliten anfänglich auf der Südhalbkugel nach aussen entlang einer Magentfeldlinie (stark negatives Bz). Anschliessend kommt es zu einer Querung der Separatrix - nicht jedoch zu einer Durchquerung des Currentsheets- mit anschließendem Verlassen der interessanten Region in den Schweif nach einigen Minuten. Flugbahn.JPG


Fragen bitte per e-mail an [Christian Kogler].