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Das Magnetfeld der Erde

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 Südpol 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 150 Erdradien.

Substorms

Durch die Ausbildung des Schweifes und 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 Tail Lobes 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 genannt – führt.

ESA Cluster Page Animation zu Substorms

Zur Untersuchung dieser Phänomene wurde im Jahre 1996 die ClusterII Mission zur Untersuchung in die Erdeumlaufbahn entsannt. Hierbei bilden 4 Satelitten 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 Satelitten die in großem Abstand in den verschiedenen Zonen des Magnetschweifes Messungen durchsuchen. Hierzu befinden sich die Satelitten 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.

PEACE und EDI Daten

Das Plasma Electron and Current Experiment sowie das Electron Drift Instrument. Während EDI über eine maximale Auflösung von 16ms verfügt, ist bei PEACE im hochauflösenden Modus eine maximale Auflösung von 100ms Möglich. 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 Satelitt rotiert mit einer Geschwindigkeit von 0.25 rps (Umdrehungen pro Sekunde). Das Peace Instrument ermöglicht es 13 Winkelbereiche und Energien im Bereich von 0 bis 22keV zu messen. EDI verfügt hier nur über die Möglichkeit den Energiebereich um 500eV zu messen. Dies ist jedoch ausreichend, da dies dem Energiebereich der Elektronen entspricht die sich von der Erde wegbewegen.

ClusterII Active Archive

Das CAA enthält alle bereits freigegeben Daten der 4 Cluster Satelitten.

Datenkalibrierung

Die Daten des CAA werden als CDF Files zur Verfügung gestellt und stehen jedem frei zum Download bereit. Die Daten müssen jedoch erst winkelabhängig korrigiert werden da sich der Satellit ja andauernd in bewegung befindet. Eine weitere Anpassung der Daten muss 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. Das Tool bietet hierzu mehrere Möglichkeiten: Konstante Faktoren Konstanter 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.