1. Verantwortlich für die Ablenkung der Kosmischen Strahlung in der Ionosphäre Durch Sonneneruptionen können auch temporäre Löcher entstehen, die sich aber rasch wieder schließen.. Das Magnetfeld der Erde ist mehr radiär als polar. Die Kompassnadel ist ein einfacher aber wirksamer Differenzmesser.

2. Magnetometer: Ein Magnetometer mißt Feldstärken anhand eine Einfachspule mit zusätzlich verdichteter gegenläufiger Doppelspule mit Resonanz- frequenz, die sich je nach gerichteter Feldstärke ändert.

3. 3 Das Aussenfeld der Erde besteht aus: der Magnetosphäre dem Van Allen Gürtel der Ionosphäre Magnetfeldeinteilung des Erdmagnetfeldes

4. 4 Das Aussenfeld >>> Magnetosphäre l Der „Sonnenwind“ besteht aus elektrisch geladenen Teilchen (Elektronen, Protonen). l Geschwindigkeit relativ zur Erde ≈ 400 km/s. l Bei dieser Ultraschallgeschwindigkeit (ultrasonic velocity) bildet sich eine Schock-Welle auf der sonnennahen Seite der Erde (= Magnetopause) l Die Teilchen des Sonnenwindes (wie elektrischer Strom) verursachen Magnetfelder l Das Erdmagnetfeld wird auf der Tages-Seite verstärkt und auf der Nacht-Seite abgeschwächt l Die Feldlinien bilden eine „tränenartige“ Form, die sich bis zu 50‘000 km erstreckt (ca. 8 Erdradien) Magnetosphäre

5. 5 Magnetfeld karthesisch Magnetosphäre

6. 6 Das Aussenfeld >>> Van Allen Gürtel (Höhe: 2‘000 – 20‘000 km) l Ionen des Sonnenwinds (sowie aus der Ionosphäre) werden im Erdmagnetfeld gefangen. l Die Ionen werden gezwungen, entlang magnetischer Feldlinien schraubenartig von Pol zu Pol zu wandern. l Es bilden sich „Gürtel“ mit intensiver Strahlung: Van Allen Gürtel © innerer Gürtel: r = 1.3 – 1.7 R (2‘000 – 5‘000 km Höhe) © äusserer Gürtel: r = 3.2 – 4.2 R (13‘000 – 20‘000 km) © Die magnetischen Effekte auf der Erdoberfläche sind aufgrund der grossen Entfernung gering. (Magnetic effect small at earth‘s surface) Magnetfeld des Van Allen Gürtel

7. 7 Dipolachse Innerer Van Allen Gürtel Äusserer Van Allen Gürtel Magnetischer Äquator Distanz (Erdradien) Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld Van Allen Gürtel

8. 8 geomagnetische Achse Aurora Borealis Gürtel Aurora Australis Gürtel magnetischer Äquator Dipol- Feldlinien Die Bewegung der eingefangenen geladenen Partikel im erdmagnetischen Feld Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld

9. Erdmagnetfeld an den Polen

10. 10 Beweis durch Argus-Experiment (1958): Drei kleine Atombomben wurden hoch über der Atmosphäre im Südatlantik gezündet. Die Teilchen folgten den Feldlinien bis r = 2R (6‘400 km Höhe) und kehrten im gleichen Breitengrad auf der Nordhemisphäre zurück - Aurora. Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld Das Aussenfeld >>> Van Allen Gürtel (Höhe: 2‘000 – 20‘000 km)

11. 11 Das Aussenfeld >>> Ionosphäre (Höhe: 80 – 500 km) l Die Ultra-violett (UV)-Strahlung der Sonne ionisiert die Moleküle der oberen Atmosphäre. l Ionisierte Schichten (layers) bilden sich in Höhen von 50 – 1‘500 km: (D), E, F1, F2, (G) = 5 Schichten. l Die dichtesten Schichten sind in Höhen 80 – 300 km: (D), E, F1, F2. l Funkamateure reflektieren Radiowellen von der E- und F-Schichten nur langwellige Wellen, die kurzwelligen entweichen ins All. l Die ionisierten Moleküle setzen Elektronen frei, die sich den Feldlinien entlang bewegen. l Die sich bewegenden Elektronen bilden Stromkreise, die Magnet- felder erzeugen - spürbares Aussenfeld an der Erdoberfläche. Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld

12. 12 Sonnen- strahlung F 2 Schicht F 1 Schicht F Schicht E Schicht TagNacht Nordpol Erd- rotation Änderung der Ionosphäre während eines Tages Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld

13. 13 Tägliche Variation des Erdmagnetfeldes Infolge der Erddrehung schwanken die Magnetfelder der Ionosphäre während des Tages >>> S Q (= solar quiet variation) Sonnenflecken lösen immense Strahlung (+ Sonnenwind) aus >>> Verstärkung des Erdmagnetfeldes >>> S D (= solar disturbed variation) S D kann „magnetische Stürme“ mit Intensitäten von 100 – 1000 nT entsprechen. Die tägliche Variation und magnetische Stürme sind breiten-abhängig (stärker am Pol). Während magnetischen Stürmen muss die magnetische Prospektion eingestellt werden, und die Ausbreitung der Radiowellen („Kurzwelle“) wird gestört. Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld

14. 14 Tägliche Variation des Erdmagnetfeldes – Solar quiet variation S Q Nord- Komponente (X) Ost- Komponente (Y) vertikale Komponente (Z) Mittagszeit Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld

15. 15 Tägliche Variation des Erdmagnetfeldes: Beispiel eines magnetischen Sturms (13. Mai, 2005). Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld

16. 16 Beispiel eines magnetischen Sturms (13. Mai, 2005). Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld

17. 17 Beispiel eines magnetischen Sturms (13. Mai, 2005). Das Erdmagnetfeld Magnetfeld der Erde und deren Beobachtungs- zeitr ä ume

18. 18 Innenfeld: Ursprung im Erdinnern >99% des gesamten Erdfelds. © Dipolfeld: 94% des Erdmagnetfelds © Nichtdipolfeld: 5% des Erdmagnetfelds Magnetfeld der Erde R R      

19. 19 Die Analyse von Gauss (1839) stellt das Innenfeld als eine Überlagerung von Multipol-Feldern dar: Dipol, Quadrupol, Oktupol, = g 1 0 Pole, = g 2 0 Pole, = g 3 0 Pole,… g n 0 n = 1 n = 2 n = 3… n Diese Felder sind rotationssymmetrisch um eine Achse. Innenfeld Magnetfeld der Erde

20. 20 a) Dipol b) Quadrupol c) Oktupol das Dipolfeld ≈ 94 % des Totalfeldes an der Erdoberfläche das Nichtdipol-Feld (NDF) (zusammen mit Komponenten höherer Ordnung) ≈ 5 % des Totalfeldes Magnetfeld der Erde

21. 21 Magnetfeld der Erde

22. 22 g 1 0 beschreibt die stärkste Feldkomponente und das Dipolfeld welches entlang der Erdrotationsachse zentrierst ist. Radiale und tangentiale Komponenten des Erdmagnetfelds B: Innenfeld: das Dipolfeld. Magnetfeld der Erde

23. 23 Totalfeld – Dipolfeld = Nichtdipolfeld (NDF) Das NDF sieht aus wie ein System von wirbelförmigen Anomalien. Um jeden Breitenkreis findet man etwa 1-2 positive und 1-2 negative Anomalien. Die Anomalien sind stark; lokale Werte bis zu 20‘000 nT. Das NDF ändert langsam mit der Zeit >>> Säkularvariation Das NDF besteht aus: - einem stationären Anteil und - einem sich bewegenden Anteil. Magnetfeld der Erde: Feldtheorie

24. 24 Magnetfeldtheorie des Erdmagnetfeldes Bewegung flüssiger Eisen- schmelzen im Erdkern

25. 25 Säkularvariation: Beispiel Paris und London Magnetfeld der Erde und Säkulariation

26. 26 Die geomagnetischen Feldelemente Das Feld kann mit kartesischen Koordinaten beschrieben werden: X (Nord), Y (Ost), Z (vertikal unten) oder mit Kugelkoordinaten D (Deklination), I (Inklination), T (Totalintensität). Vertikal Nord Ost H X T Z Y D I magnetische Nordrichtung Magnetfeldformeln: Das Erdmagnetfeld http://www.geophysik.uni-muenchen.de/observatory/geomagnetism/yearly-magnetograms/

27. 27 Die Deklination des Feldes Eine freischwingende Kompass-Nadel zeigt nicht genau in Richtung des geographischen Nordpols. Der Winkel zwischen geographisch und magnetisch Nord heisst Deklination D. Der magnetische Nordpol liegt im Norden Kanadas - Geomagnetische Pole (2001): 81.0 N 110.0 W 64.6 S 138.3 E geographisch Nord magnetisch Nord D Magnetfelddeklination: Das Erdmagnetfeld

28. 28 Die Deklination des Feldes (2000) Magnetfeldzonen:Das Erdmagnetfeld www.ngdc.noaa.org Dip pole

29. 29 An der Erdoberfläche ist die Feldrichtung durch den Winkel I zum Horizont bestimmt; I ist die Inklination: Dipol- achse  I Dipol- Feldlinie Äquator Horizont I wird als positiv nach unten definiert (Nordhemisphäre der Erde) Magnetics:Das Erdmagnetfeld Für ein reines Dipolfeld Der Tangens I beschreibt das Verhältnis der horizontalen zu den vertikalen Feldlinien

30. Magnetfeldinduktor im Fadenkreuz: Ursprungsmodell: Erdinduktor (magnetisches Inclinetometer n.Gauß) http://www.biosensor-physik.de/biosensor/erdmagnetfeld.htm

31. 31 Magnetic Fields of Earth www.ngdc.noaa.org Inklination (2000)

32. Magnetfeldgenauigkeit: Noch genauere Untersuchungen des Erdmagnetfeldes Seit 2015 untersuchen die vier Satelliten der Magnetospheric Multiscale Mission (MMS) die komplexen Prozesse zwischen Sonnenwind und Erdmagnetfeld im Detail.Satelliten, Möglicherweise, viel weiter als der Mond (> 384.400 km )

33. 33 Die Einheit des Magnetfeldes ist: Ein Feld mit 1 Tesla ist sehr stark (z.B. Elektromagnet). Als praktischere Einheit wird das nanotesla (nT) verwendet: Magnetfeldstärke des Erdmagnetfeldes Also used is the H field In a vacuum B=  0 H Inside magnetic materials is more complicated!

34. 34 Wenn nur der Dipolanteil des Innenfeldes betrachtet wird: rotationssymmetrisch um Achse 1)Achse des Dipols ist um ca. 11.5° geneigt gegenüber der Erdrotationsachse. 2) Modellierte Magnetfeld 81.0°N, 110.8°W 64.7°S, 138.3°E Dipolintensität : am Äquator: ≈ 30‘000 nT am Pol:≈ 60‘000 nT in Zürich:≈ 46‘000 nT Magnetfeld der Erde und Diopol

35. Magnetfeldwirkung: Auswirkung von Erd- Magnetfeld-induktiven Sonnenstürmen

36. Wanderung des Erdmagnetpols

37. Magnetfeld-Umpolung (Polsprung) Seit erkannt wurde, dass es in der Erdgeschichte in unregelm äß igen Zeitabst ä nden zu Einbr ü chen und Umpolungen des Erdmagnetfelds kommt, versuchten Wissenschaftler, diese Polspr ü nge mit Massenaussterben in Verbindung zu bringen. Ein solcher Nachweis ist jedoch bislang nicht gelungen. Eine m ö gliche Erkl ä rung daf ü r ist, dass bei einer schwachen oder ganz fehlenden Magnetosph ä re die Erdatmosph ä re als Schutzschild vor der gef ä hrlichen kosmischen Strahlung dienen w ü rde. Modellberechnungen nach entst ü nde dabei eine sekund ä re Strahlung von Beryllium-10 oder Chlor-36. Tats ä chlich fand eine deutsche Studie im Jahr 2012 in Eisbohrkernen aus Gr ö nland eine Spitze von Beryllium-10 vor 41.000 Jahren, als bei einer kurzen Magnetfeldumkehr das Erdmagnetfeld auf gesch ä tzte 5 % seiner St ä rke einbrach.[1][1] Eine andere m ö gliche Erkl ä rung ist, dass auch bei Umpolungen das Erdmagnetfeld niemals ganz verschwindet. Einer Studie aus dem Jahr 1999 nach hat es w ä hrend der Brunhes-Matuyama-Umkehr vor rund 786.000 Jahren immer eine Magnetopause bei etwa drei Erdradien gegeben. Quelle : Wikipedia

38. 38 Das Aussenfeld der Erde besteht aus: der Magnetosphäre dem Van Allen Gürtel der Ionosphäre Magnetfeld der Erde

39. Magnetfeld und Nordlichteffekt: durch seitlichen Strahlendruck im Magnetfeld kommt es zu polarem Stromfluß zuerst vertikal. Durch die Rotation mit Induktionsstau kommt es unter Spannungsaufbau wieder zur Ablenkung ins Weltall

40. 40 Magnetfeld: Das Erdmagnetfeld Intensität (2000)

41. 41 Magnetfeldachsen: Das Erdmagnetfeld Geograph.

42. Untersuchung des Sonnenspektrums mittels einfacher Spektroskopie

45. Genauso wie die Spektrallinien im Sonnenlicht k ö nnen Spektralllinien in angeregten Medien wie dem Polarlicht bestimmt werden. Mittels Refraktiometervergleichen kann auch die Absorbtionsst ä rke genauer bestimmt werden und somit R ü ckschlusse auf die Dichtezusammensetzung gezogen werden.

46. Magnetfeldwechsel: Die Spektroskopie und Spektralanalyse von Polarlichtern erlaubt bei vergleich-bar gemachtem energetischem Anregungszustand anhand von Polynom-funktionen höheren Grades eine weitgehend vergleichbare Bestimmung der Atmosphärenzusammensetzung. Es ist somit auch eine genaue Bestimmung der Dichteschichten möglich. Somit sind auch rel. genaue erdgebundene Spektroskopien möglich, wenn die solare Emissionsstärke (Sonnenwind) und die temporäre Stärke des Erdmagnetfeldes im Polarbereich bereits bekannt sind.

47. Magnetfeld der Erde : Die magnetischen Pole verschieben sich ständig Eine vollständige Polumkehr muß nicht zu einem intermitierenden Erliegen des Magnetfeldes führen. Es können aber zahlreiche kleinere Pole entstehen. Da Eisen paramagnetisch ist bedeutet dies bei Magmafluß ständige Selbsterregung. Allerdings wäre ein Dipol aufgehoben. Ein äußeres Magnetfeld könnte aber verkleinert und stark verdichtet weiterbestehen. Wie aber eine solche Polumkehr stattfindet weiß vermutlich niemand genau. Es ist auch nicht sicher, daß es größere Auswirkungen auf das Leben auf der Erde hat, da vermutlich auch mehrere kleinere Pole bei weiterexistentem Magmadynamo hypothetisch entstehen könnten, die im raschen Wechsel oszillieren, so daß nur keine dauerhafte Gesteinsmagnetisierung auftritt, aber ein Peak - Feld trotzdem weiterbestehen kann.

48. Magnetfelder:Hochgenaue Methoden durch vor Ort durch Messungen mittels Satellit Durch Anregung mittels Laser können genaue Spektralanalysen vor Ort durchgeführt werden.

49. Grundlagen der Laserspektroskopie

50. Stark vereinfachte spektroskopische Aufspaltung Emissionsstarker Laser oder polarisierter und gebündelter Hohlraumlaser

51. Magnetfeld und Spektralanalyse: Lasertypen

52. Beispiel- Spektrogramme einiger einzelner Atmosphärengase. Aber auch die normalen Atmosphärengase können nach ihrer Dichte mittels Polarlichter oder künstlicher Ionisation vor Ort genau spektroskopisch untersucht werden.

53. Übergang Sonnenmagnetfeld (größerer Dynamo) in Erdmagnetfeld. Dh. es werden nicht nur bestimmte Partikel durch das Erdmagnetfeld abgelenkt sondern ü ber einen Magnetfeldstrom ausgehend von der Sonne auch Partikel wie von einer Batterie (besser Induktionsdynamo) ü ber ein Magnetfeld auf die Erde ü bertragen.

54. Magnetische Wechselwirkungen