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)
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Einbettung im interplanetaren RaumMerkurVenusErdeMarsJupiterSaturnUranusNeptunPlutoMondeAsteroidenKometenSatellitenWeltraum-Müll
N ~ 101
Planeten, 105
Asteroiden (1012
Kometen)D ~ 102
AU (104
AU)
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Kuiper_oort.jpg
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Einbettung im interplanetaren RaumMerkurVenusErdeMarsJupiterSaturnUranusNeptunPlutoMondeAsteroidenKometenSatellitenWeltraum-Müll
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
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Einbettung in der Milchstrasse
N ~ 100 Mrd
SterneD ~ 100 000 Lj
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Einbettung in der Milchstrasse
N ~ 100 Mrd
SterneD ~ 100 000 Lj
Zwischenraum:Plasma
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Einbettung in der Lokalen Gruppe
D ~ 5…7 106
Lj
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Einbettung in der Lokalen Gruppe
D ~ 5…7 106
Lj
Zwischenraum:Plasma
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Einbettung im Virgo-Superhaufen
D ~ 200 106
Lj
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Virgo_cluster.jpg
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Einbettung im Virgo-Superhaufen
D ~ 200 106
Lj
Zwischenraum:Plasma
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Virgo_cluster.jpg
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Stern-Abstände in der Milchstrasse
Wie gross
sind die Sterne
im Vergleich zu ihren Abständen untereinander?
6mm
[www.eduvinet.de/gebhardt]
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Zwischenraum: Kosmisches Plasma
•
4. Aggregatzustand•
Exotisch für irdische Erfahrungswelt
•
Normalzustand im Universum: >99%•
Inneres der Sterne: Extrem dicht
•
Zwischenraum: Extrem dünn•
Neutrale Inseln:
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/4/4c/Plasma_scaling.svg
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Quellen des interplanetaren Plasmas
•
Sonne mit Sonnenwind•
Atmosphären/Ionosphären von Planeten und Monden
•
Kometen•
Interstellares Plasma
•
Intergalaktisches Plasma u. kosmische Strahlung
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Sonnenwind als Fortsetzung der Korona
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Sonnenwind
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Sonnenwind in Erdnähe
Komposition
96% H+
, 4% He++
,
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Sonnenwind in Erdnähe
Komposition
96% H+
, 4% He++
,
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Sonnenwind in Erdnähe
Komposition
96% H+
, 4% He++
,
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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
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
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
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Gauss-Verteilung der Teilchen
Hydrodynamische Flucht:Mittlere Geschw. > 0
Jeans-Flucht:Mittlere Geschw. = 0,vpart
> vesc
(= 11 km/s)
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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
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Wasser des Mars als Plasma-Quelle
Flussdelta in Nepenthes
Mensae
[www.dlr.de]
Jeans-Flucht+
Nichtthermische Verluste:Ionen-Pickup
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Simulation der Mars-Umgebung
Solar wind density nsw [cm-3] O+ density nh [cm-3]
[A. Bößwetter
et al, 2007 ]
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Kometen als Plasma-Quelle
[Michael Weiler, DLR, 2003]Produktionsraten: g …
kg/s
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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
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Magnetfeld der Erde
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Deformation des Erdmagnetfeldes durch den Sonnenwind
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Magnetosphäre der Erde
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/f/fa/Magnetopause.jpg
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Frozen-In-Theorem
C
C
B
v
C
C
B
Magnetfeld ist im Plasma „eingefroren“ Magnetfeld und Plasma bewegen sich gemeinsam
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Eindringen energetischer Teilchen
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/Earth_ElectronParticle_thru_magnetosphere_small.JPG
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Polarlicht
[Photo Dick Hutchinson]
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/aa/Polarlicht_2.jpg
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Öffnen der Magnetopause durch Rekonnexion
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Öffnen der Magnetopause durch Rekonnexion
Animation zumSpace
Weather
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Öffnen der Magnetopause durch Rekonnexion
Animation undSimulation zurTHEMIS-Mission
[www.nasa.gov]
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Space Weather
[spaceweather.com]
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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)
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Kosmische Strahlung
98% Ionen: 2% Elektronen87% H+12% He++
1% Schwere bis Aktiniden
v≈c: Kaum Beeinflussungdurch Magnetosphäre,Vordringen in Atmosphäre,Auslösung von Reaktionen
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Vgl: Ruheenergie Elektron: MeVRuheenergie Proton: GeV>>>>Relativistische Geschwindigkeiten
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Kosmische Strahlung
Isotroper
Einfall auf die Erde
Entstehung in Supernovae,AGN, …
Fermi-Beschleunigung
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Fermi-Beschleunigung
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
Entdeckung der Kosmischen Strahlung
Ballonexperiment 1912Viktor Hess 1883-1964Nobelpreis 1936
http://www.astroteilchenphysik.de/grafik/topics/cr/hessballon.jpg
Plasma @ TU Braunschweig & DLR Berlin
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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