(11) Die Magnetosphäre

1. (11) Die Magnetosphäre (c) G. Larson EF Geophysik 88

2. Die Magnetosphäre (1) Die Erdmagnetosphäre entsteht durch Einwirkung des Sonnenwindes auf das Magnetfeld der Erde. Der Sonnenwind ist ein Strom elektrisch geladener Teilchen, der auch in ruhigen Phasen ständig von der Sonne strömt. Er besteht hauptsächlich aus Protonen und Elektronen sowie aus Heliumkernen, schwerere Elemente kommen nur in Spuren vor. In Erdentfernung gilt (ungefähr): Die Sonne verliert durch den Sonnenwind pro Sekunde etwa 1 Million Tonnen ihrer Masse. Der „schnelle Sonnenwind“, der an den koronalen Löchern austritt, erreicht 800–900 Kilometer pro Sekunde. In jedem Fall liegt die Geschwindigkeit aber deutlich über der Schallgeschwindigkeit des Mediums. Wenn der Sonnenwind auf ein Hindernis trifft, bildet sich daher eine Schockfront oder Bugstoßwelle („bow shock“), wie bei einem mit Überschall fliegenden Düsenjäger, wobei der Sonnenwind von Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst wird. Das Erdmagnetfeld ist schon an der Erdoberfläche in sehr guter Näherung ein Dipolfeld, in einigen Erdradien Entfernung ist von höheren Momenten praktisch nichts mehr zu bemerken. Ohne Sonnenwind würden die Feldlinien die Erde völlig symmetrisch umgeben. Der Sonnenwind drückt das Magnetfeld auf der vorderen, der Sonne zugewandten Seite zusammen und zieht es auf der hinteren Seite zu einem langen Schweif aus, der mehrere Millionen Kilometer in den Weltraum hinaus reicht (ganz ähnlich wie der Schweif eines Kometen) und „im Sonnenwind flattert“. Die Schicht, die die Magnetosphäre zum interplanetaren Raum hin abgrenzt, bezeichnet man als Magnetopause. Hier herrscht Gleichgewicht zwischen dem Staudruck des Sonnenwindes und dem magnetischen Druck. Bei ruhiger Sonne liegt die Magnetopause auf der sonnenzugewandten Seite in einer Entfernung von etwa 10 Erdradien. Bei hoher Sonnenaktivität kann sie aber bis auf unter 5 Erdradien Entfernung an die Erde herangedrückt werden. EF Geophysik 89

3. Die Magnetosphäre (2) Die Magnetosphäre enthält Plasma, bestehend aus Ionen und Elektronen. Sie stammen zum Teil aus der Erdatmosphäre, zum Teil aus dem Sonnenwind. Da elektrisch geladene Teilchen sich nicht quer zu Magnetfeldlinien bewegen können, dringen Sonnenwindteilchen in der Regel nicht direkt vorn in die Magnetosphäre ein. Auf alle bewegten elektrische Ladungen, q, wirkt nämlich die Lorentz – Kraft also im rechten Winkel zum Geschwindigkeits–Vektor. Geladene Teilchen bewegen sich daher i.A. auf Spiralbahnen um Magnetfeldlinien. Bewegungen quer zum Magnetfeld sind nur möglich, wenn zusätzlich elektrische Felder auftreten. Beim „Flattern“ des Schweifs können Sonnenwind-Teilchen durch komplizierte Vor-gänge in dessen Inneres gelangen. Sonnenwindteilchen dringen auch durch zwei „Löcher” in die Magnetosphäre ein, die sich an der Grenze zwischen den nach vorn und den nach hinten gebogenen Feldlinien bilden, die sogenannten „Cusps“ (Spalten). Die elektrisch geladenen Teilchen sammeln sich vorwiegend in der Äquatorebene des Schweifs, in der Plasmaschicht (Quelle: MPI, Lindau). EF Geophysik 90

4. Die Magnetosphäre (3) Birkeland-Ströme Der an der Magnetosphäre vorbei strömende Sonnenwind wirkt zusammen mit dem interplanetaren Magnetfeld wie ein Dynamo. Er erzeugt quer zur Magnetosphäre ein elektrisches Feld, das komplizierte Driftbewegungen des Magnetosphärenplasmas in Gang setzt und elektrische Ströme antreibt, die hauptsächlich von den Elektronen aus der Plasmaschicht getragen werden. Diese Ströme fließen entlang der Magnetfeldlinien, wobei die Elektronen spiralförmige Bahnen um die Magnetfeldlinien ausführen. Die Abbildung links zeigt ein stark vereinfachtes Schema der feldparallelen Ströme, der sogenannten Birkeland-Ströme (nach dem norwegischen Geophysiker Kristian Birkeland, 1867-1917, rechts). Auf der Morgenseite fließen die Birkeland-Ströme etwas nördlicher in die Erdatmosphäre hinein und etwas südlicher wieder heraus, am Abend sind die Verhältnisse umgekehrt (Aufgrund der allgemeinen Konvention über Stromrichtungen, stellen abwärts fliegende Elektronen einen nach oben gerichteten Strom dar !). Die Birkelandströme schließen sich als sog. Pedersen-Strom in der Ionosphäre, in einer Höhe von 100-150 km über dem Erdboden. Dort ist die Atmosphäre elektrisch leitend, weil die Gase durch die Ultraviolettstrahlung der Sonne z.T. ionisiert werden. Zusätzlich zu den Pedersen-Strömen gibt es in dieser Höhe auch einen Hall-Strom, der ost-westwärts gerichtet ist. Die Stromdichten der Hall- und Pedersen-Ströme liegen meistens bei einigen A/m2. Berücksichtigt man, dass die Höhenausdehnung der Stromschichten ca. 30 km und die Horizontalausdehnung einige 100 km beträgt, kommt man auf Ströme von einigen 10 000Ampère (Bildquelle: MPI). Falls Ihnen das jetzt alles ein bisschen „spanisch“ vorkommen sollte – es gibt einige Magnetosphären-Vorlesungen, um das zu klären. Hier soll dargestellt werden, dass die Sache im Detail kompliziert ist. Ich glaube, das ist mir gelungen. EF Geophysik 91

5. Die Magnetosphäre (4) Der Ringstrom Ein weiteres wichtiges Stromsystem in der Magnetosphäre fließt im Bereich der Strahlungsgürtel, die 1958 mit Hilfe der ersten Satelliten (Explorer) entdeckt wurden. Nach ihrem Entdecker (J. A. van Allen) werden sie auch van-Allen-Gürtel genannt. Sie umgeben die Erde in der Äquatorebene wie ein Ring, wobei der innere Strahlungsgürtel bei einem Abstand von 8000 bis 16000, der äußere bei einem Abstand von 20000 bis 50000 km vom Erdmittelpunkt liegt. Die Ladungsträger des inneren Strahlungsgürtels, Protonen und Elektronen, entstehen vorwiegend bei der Ionisation von Luftbestandteilen durch kosmische Strahlung, die ständig aus dem Weltraum auf die Erde trifft. Sie weisen im Vergleich zu den Teilchen aus der Plasmaschicht sehr hohe Energien auf. Die Teilchen des äußeren Gürtels stammen aus der Ionosphäre und der Plasmaschicht. Innerhalb der Strahlungsgürtel sind die Ionen und Elektronen auf geschlossenen Feldlinien des Erdmagnetfelds gefangen. Sie spiralen entlang der Feldlinien (Gyration) und werden in Erdnähe, dort wo die Magnetfeldlinien zusammenlaufen und das Magnetfeld stärker wird, an den sog. Spiegelpunkten reflektiert. Sie wandern daher dauernd zwischen Nord- und Südhalbkugel hin und her. Dabei driften beide Teilchenarten unter dem Einfluss elektrischer Felder um die Erde, die Elektronen nach Osten, die Ionen nach Westen. Dadurch ergibt sich ein Strom, der kreisförmig um die Erde herum gerichtet ist, der Ringstrom. Die Stromdichten sind sehr variabel, typische Werte liegen bei einigen Zehntel A/m. Da der Ringstrom aber einen weiten räumlichen Bereich erfüllt, ergibt sich eine Gesamtstromstärke von vielen Millionen Ampère (Bildquelle: MPI). EF Geophysik 92