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Numerische Plasma Simulation @ TU Braunschweig

Wechselwirkung mit dem Weltraum: Sonnenwind und kosmische Strahlung

Uwe Motschmann

Institut für Theoretische Physik, TU Braunschweig DLR Institut für Planetenforschung, Berlin

Ringvorlesung, TU Berlin, 25. Juni 2009

Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin

Einbettung im interplanetaren RaumMerkurVenusErdeMarsJupiterSaturnUranusNeptunPlutoMondeAsteroidenKometenSatellitenWeltraum-Müll

N ~ 101

Planeten, 105

Asteroiden (1012

Kometen)D ~ 102

AU (104

AU)



N ~ 101

Planeten, 105

Asteroiden (1012

Kometen)D ~ 102

AU (104

AU)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Kuiper_oort.jpg



N ~ 101

Planeten, 105

Asteroiden (1012

Kometen)D ~ 102

AU (104

AU)

Zwischenraum:Plasma

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Kuiper_oort.jpg


Einbettung in der Milchstrasse

N ~ 100 Mrd

SterneD ~ 100 000 Lj


Einbettung in der Milchstrasse

N ~ 100 Mrd

SterneD ~ 100 000 Lj

Zwischenraum:Plasma


Einbettung in der Lokalen Gruppe

D ~ 5…7 106

Lj


Einbettung in der Lokalen Gruppe

D ~ 5…7 106

Lj

Zwischenraum:Plasma


Einbettung im Virgo-Superhaufen

D ~ 200 106

Lj

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Virgo_cluster.jpg


Einbettung im Virgo-Superhaufen

D ~ 200 106

Lj

Zwischenraum:Plasma

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Virgo_cluster.jpg


Stern-Abstände in der Milchstrasse

Wie gross

sind die Sterne

im Vergleich zu ihren Abständen untereinander?

6mm

[www.eduvinet.de/gebhardt]


Zwischenraum: Kosmisches Plasma

•

4. Aggregatzustand•

Exotisch für irdische Erfahrungswelt

•

Normalzustand im Universum: >99%•

Inneres der Sterne: Extrem dicht

•

Zwischenraum: Extrem dünn•

Neutrale Inseln:


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/4/4c/Plasma_scaling.svg


Quellen des interplanetaren Plasmas

•

Sonne mit Sonnenwind•

Atmosphären/Ionosphären von Planeten und Monden

•

Kometen•

Interstellares Plasma

•

Intergalaktisches Plasma u. kosmische Strahlung


Sonnenwind als Fortsetzung der Korona


Sonnenwind


Sonnenwind in Erdnähe

Komposition

96% H+

, 4% He++

,


Sonnenwind-Entstehung

Sonnenwind ist die Fortsetzung der KoronaKorona befindet sich nicht im hydrostatischen GleichgewichtKorona befindet sich permanenter Flucht/hydrod. Flucht (Parker, 1959)

Entdeckung, 1951, Ludwig Biermann, Kometenschweife

Biermann, 1907-1986


Hydrostatisches Gleichgewicht vs.

Hydrodynamische Flucht

•

Hydrostatisches Gleichgewicht–

Mehrzahl der Teilchen bleibt erhalten

–

Jeans-Flucht weniger Teilchen

•

Hydrodynamische Flucht–

Mehrzahl der Teilchen entweicht

•

Erklärung–

Gauss-Verteilung

der Teilchen


Gauss-Verteilung der Teilchen

Hydrodynamische Flucht:Mittlere Geschw. > 0

Jeans-Flucht:Mittlere Geschw. = 0,vpart

> vesc

(= 11 km/s)


Planeten als Plasma-Quelle

Atmosphären imHydrostatischen Gleichgewicht,

Jeans-Flucht100

kg/s

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/df/Full_moon_partially_obscured_by_atmosphere.jpg


Wasser des Mars als Plasma-Quelle

Flussdelta in Nepenthes

Mensae

[www.dlr.de]

Jeans-Flucht+

Nichtthermische Verluste:Ionen-Pickup


Simulation der Mars-Umgebung

Solar wind density nsw [cm-3] O+ density nh [cm-3]

[A. Bößwetter

et al, 2007 ]


Kometen als Plasma-Quelle

[Michael Weiler, DLR, 2003]Produktionsraten: g …

kg/s


Dynamik der Wechselwirkung des Plasmas mit Erde u.a. Objekten

•

Hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Objekten und dem umgebenden Plasma

•

Dominanz des Sonnenwind-Plasmas

•

Bedingungen für den Rücktransport des umgebenden Plasmas in Atmosphären oder auf Oberflächen von Planeten


Magnetfeld der Erde


Deformation des Erdmagnetfeldes durch den Sonnenwind


Magnetosphäre der Erde

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/f/fa/Magnetopause.jpg


Frozen-In-Theorem

C

C

B

v

C

C

B

Magnetfeld ist im Plasma „eingefroren“ Magnetfeld und Plasma bewegen sich gemeinsam


Eindringen energetischer Teilchen

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/Earth_ElectronParticle_thru_magnetosphere_small.JPG


Polarlicht

[Photo Dick Hutchinson]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/aa/Polarlicht_2.jpg


Öffnen der Magnetopause durch Rekonnexion



Animation zumSpace

Weather



Animation undSimulation zurTHEMIS-Mission

[www.nasa.gov]


Space Weather

[spaceweather.com]


Plasma-Quellen jenseits des Sonnensystems =

Kosmische Strahlung

Plasma kann aus dem interstellaren oder dem intergalaktischen Raum in den interplanetaren Raum eindringen

Ununterscheidbar bei ähnlichen Eigenschaften

Unterscheidbar durch hohe Energie (v≈c)


Kosmische Strahlung

98% Ionen: 2% Elektronen87% H+12% He++

1% Schwere bis Aktiniden

v≈c: Kaum Beeinflussungdurch Magnetosphäre,Vordringen in Atmosphäre,Auslösung von Reaktionen


Vgl: Ruheenergie Elektron: MeVRuheenergie Proton: GeV>>>>Relativistische Geschwindigkeiten


Kosmische Strahlung

Isotroper

Einfall auf die Erde

Entstehung in Supernovae,AGN, …

Fermi-Beschleunigung


Fermi-Beschleunigung


Entdeckung der Kosmischen Strahlung

Ballonexperiment 1912Viktor Hess 1883-1964Nobelpreis 1936

http://www.astroteilchenphysik.de/grafik/topics/cr/hessballon.jpg


Ende

Wechselwirkung mit dem Weltraum:�Sonnenwind und kosmische Strahlung��Uwe Motschmann�Institut für Theoretische Physik, TU Braunschweig�DLR Institut für Planetenforschung, BerlinEinbettung im interplanetaren RaumEinbettung im interplanetaren RaumEinbettung im interplanetaren RaumEinbettung in der MilchstrasseEinbettung in der MilchstrasseEinbettung in der Lokalen GruppeEinbettung in der Lokalen GruppeEinbettung im Virgo-SuperhaufenEinbettung im Virgo-SuperhaufenStern-Abstände in der MilchstrasseZwischenraum:�Kosmisches PlasmaFoliennummer 13Quellen des interplanetaren PlasmasSonnenwind als Fortsetzung der KoronaSonnenwindSonnenwind in ErdnäheSonnenwind in ErdnäheSonnenwind in ErdnäheSonnenwind-EntstehungHydrostatisches Gleichgewicht�vs.�Hydrodynamische FluchtGauss-Verteilung�der TeilchenPlaneten als Plasma-QuelleWasser des Mars als Plasma-QuelleSimulation der Mars-UmgebungKometen als Plasma-Quelle�Dynamik der Wechselwirkung des Plasmas�mit Erde u.a. ObjektenMagnetfeld der Erde Deformation des Erdmagnetfeldes �durch den Sonnenwind Magnetosphäre der ErdeFrozen-In-TheoremEindringen energetischer TeilchenPolarlichtÖffnen der Magnetopause� durch RekonnexionÖffnen der Magnetopause� durch RekonnexionÖffnen der Magnetopause� durch RekonnexionSpace WeatherPlasma-Quellen jenseits des Sonnensystems�=�Kosmische StrahlungKosmische StrahlungFoliennummer 40Kosmische StrahlungFermi-BeschleunigungEntdeckung der Kosmischen StrahlungEnde

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