"Die erste und oberste von allen Sphären ist die der Fixsterne, die sich selbst und alles andere enthält.(...) Es folgt als erster Planet Saturn, der in dreißig Jahren seinen Umlauf vollendet. Hierauf Jupiter mit seinem zwölfjährigen Umlauf. Dann Mars, der in zwei Jahren seine Bahn durchläuft. Den vierten Platz in der Reihe nimmt der jährliche Kreislauf ein, in dem, wie wir gesagt haben, die Erde mit der Mondbahn als Epizykel enthalten ist. An fünfter Stelle kreist Venus in neun Monaten. Die sechste
Stelle schließlich nimmt Merkur ein, der in einem Zeitraum von achtzig Tagen seinen Umlauf vollendet. In der Mitte von allen aber hat die Sonne ihren Sitz." (Kopernikus 1543)
Diese Erkenntnissse von Nikolaus Kopernikus und im weiteren Verlauf der Geschichte von Galileo Galilei erschütterten das so genannte ptolemäische Weltbild. Jahrhunderte lang war die Menschheit der Meinung gewesen die Erde wäre der zentrale Punkt
unseres Sonnensystems. Durch die Forschung von Kopernikus und Galilei wurde diese Vorstellung widerlegt und durch die neue heliozentrische Anschauung wurde die Sonne als Zentrum des Sonnensystems etabliert. Mittlerweile weiß man, dass sich die Planeten des Sonnensystems auf Kepler’schen Bahnen um die Sonne bewegen und, dass das Sonnensystem um das Zentrum der Milchstraße kreist. Die Sonne und das Sonnensystem waren in der Vergangenheit und sind auch in der Gegenwart ein zentraler astrophysikalischer
Forschungsbereich, der bei weitem noch nicht vollständig untersucht werden konnte.
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
1.1 Die Heliosphäre
1.2 Energetische Neutralatome
1.3 Motivation dieser Arbeit
2. Theoretische Grundlagen
2.1 Der Fluss der energetischen Neutralatome
2.2 Überlebenswahrscheinlichkeit der ENAs
3. Numerische Berechnungen
3.1 Überlebenswahrscheinlichkeit bei solarem Maximum
3.2 Überlebenswahrscheinlichkeit bei solarem Minimum
3.3 Schlussfolgerungen
4. Zusammenfassung und Ausblick
A. Geschriebene Programme
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bestimmung der Überlebenswahrscheinlichkeit energetischer Neutralatome (ENAs) auf ihrem Weg zur Erde, um eine korrekte Interpretation der Messdaten künftiger Weltraummissionen wie IBEX zu ermöglichen.
- Struktur und physikalische Eigenschaften der Heliosphäre
- Physikalische Prozesse der ENA-Entstehung (Ladungsaustausch, Photoionisation)
- Numerische Simulation der ENA-Verluste in Abhängigkeit von Sonnenaktivitätszyklen
- Visualisierung der ENA-Flussverteilung mittels All-Sky-Maps
Auszug aus dem Buch
1.2 Energetische Neutralatome
Am äußeren Rand der Heliosphäre treffen das SW-Plasma und das LISM aufeinander und können dort interagieren. Ein neutrales Wasserstoffatom des LISM, das sich unbeeinflusst vom Magnetfeld der Sonne bewegt, kann mit einem Proton des Sonnenwindes wechselwirken und es kann ein Ladungsaustausch stattfinden. Ohne wesentlichen Impuls- oder Energieübertrag gibt das neutrale Atom sein Elektron an das Sonnenwindproton ab. Das übriggebliebene Wasserstoff-Ion (Pick-Up Ion (PUI) genannt) wird vom Sonnenwind, bedingt durch den Einfluss des SW-Magnetfeldes auf die Ladung des Teilchens, aufgenommen und mitgetragen, wobei dieser Prozess als Pick-Up Prozess bezeichnet wird. Demgegenüber steht das neu entstandene neutrale H-Atom nicht unter dem Einfluss des Magnetfeldes und bewegt sich daher auf einer gradlinigen Trajektorie deren Richtung vom an der Interaktion beteiligten Proton abhängt. Dieses neu entstandene hochenergetische neutrale Wasserstoffatom wird energetisches Neutralatom (ENA) genannt. Heliosphärische ENAs werden hauptsächlich in der inneren HS zwischen dem TS und der HP gebildet und können aufgrund der Tatsache, dass sie sich unbeeinflusst vom Magnetfeld der Sonne bewegen, bis zur Erde gelangen, um dort detektiert zu werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung: Dieses Kapitel erläutert den Aufbau der Heliosphäre, definiert energetische Neutralatome und begründet die Relevanz der Arbeit im Kontext aktueller NASA-Missionen.
2. Theoretische Grundlagen: Hier werden die physikalischen Prozesse zur Bestimmung des ENA-Flusses und die mathematischen Ansätze zur Berechnung der Überlebenswahrscheinlichkeit unter Berücksichtigung von Ionisationseffekten hergeleitet.
3. Numerische Berechnungen: Dieser Hauptteil präsentiert die computergestützte Simulation der Überlebenswahrscheinlichkeit sowohl für ein solares Maximum als auch für ein solares Minimum unter Verwendung eigens entwickelter FORTRAN-Programme.
4. Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die gewonnenen Erkenntnisse zur ENA-Verlustrate zusammen und diskutiert deren Bedeutung für die künftige Auswertung der IBEX-Messdaten.
A. Geschriebene Programme: In diesem Anhang werden die für die Berechnungen und Visualisierungen genutzten Programm-Quellcodes in FORTRAN 77 und IDL dokumentiert.
Schlüsselwörter
Heliosphäre, energetische Neutralatome, ENA, Sonnenwind, IBEX-Mission, Ladungsaustausch, Photoionisation, Überlebenswahrscheinlichkeit, solares Maximum, solares Minimum, All-Sky-Maps, numerische Simulation, Weltraumphysik, Teilchenfluss, interstellares Medium.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, wie viele energetische Neutralatome (ENAs) ihre Reise vom Ursprungsort am Rande der Heliosphäre bis zur Erde tatsächlich überleben, ohne durch Ionisationsprozesse verloren zu gehen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit verknüpft die physikalische Modellierung der heliosphärischen Grenzschichten mit numerischen Simulationen zur Berechnung von Teilchenverlusten während des Transports.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist die Bestimmung von ENA-Verlustwahrscheinlichkeiten bei unterschiedlichen Energien, um eine korrekte Interpretation der von der IBEX-Sonde erhobenen Messdaten zu ermöglichen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden theoretische physikalische Formeln (Sichtlinienintegrale) genutzt und mittels selbst geschriebener FORTRAN-Algorithmen numerisch simuliert sowie in IDL-basierte All-Sky-Maps überführt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert die Überlebenswahrscheinlichkeiten von ENAs unter den Bedingungen eines solaren Maximums (homogener Sonnenwind) und eines solaren Minimums (erhöhte Windgeschwindigkeiten in Polnähe).
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Heliosphäre, energetische Neutralatome (ENA), solare Zyklen, IBEX-Mission und numerische Teilchensimulation.
Wie wirkt sich die Sonnenaktivität auf die ENAs aus?
Eine geringere Sonnenaktivität, wie sie im solaren Minimum auftritt, erhöht die Geschwindigkeit des Sonnenwindes in Polnähe, was zu einer höheren Verlustrate der ENAs und damit zu einer veränderten Flussverteilung führt.
Warum ist die Unterscheidung zwischen Entstehungsrate und detektiertem Fluss wichtig?
Die IBEX-Sonde misst nur die Teilchen, die ihr Ziel erreichen. Da auf dem Weg dorthin ein erheblicher Teil durch Ionisationsprozesse verloren geht, muss man die Verlustraten kennen, um aus den Messdaten auf die tatsächliche Produktionsrate rückschließen zu können.
- Arbeit zitieren
- Studienreferendar Gregor Gruschka (Autor:in), 2008, Die Flüsse energetischer Neutralatome in der inneren Heliosphäre, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/126996
