Prölss Physik des erdnahen Weltraums

Eine Einführung
2001
ISBN: 978-3-642-97903-3
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 523 Seiten, eBook

Zielgruppe

Graduate

Autoren/Hrsg.

Prölss, Gerd

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung.- 1.1 Definition und Abgrenzung der Thematik.- 1.2 Stoffumfang, Gliederung und Literatur.- 1.3 Zur Geschichte der Weltraumforschung.- 2. Neutrale Hochatmosphäre.- 2.1 Zustandsgrößen von Gasen und ihre gaskinetische Deutung.- 2.1.1 Definition und Ableitung gaskinetischer Kenngrößen.- 2.1.2 Makroskopische Zustandsgrößen.- 2.2 Höhenverlauf der Zustandsgrößen und Gliederung der Atmosphäre.- 2.3 Barosphärische Dichteverteilung.- 2.3.1 Aerostatische Grundgleichung.- 2.3.2 Druckgradientkraft.- 2.3.3 Barometrische Höhenformel.- 2.3.4 Heterosphärische Dichteverteilung.- 2.3.5 Gaskinetische Interpretation der barometrischen Höhenformel.- 2.3.6 Homopausenhöhe.- 2.3.7 Atomarer Sauerstoff und Wasserstoff.- 2.4 Exosphärische Dichteverteilung.- 2.4.1 Exobasenhöhe.- 2.4.2 Entweichgeschwindigkeit.- 2.4.3 Geschwindigkeitsverteilung in Gasen.- 2.4.4 Entweichfluß und Stabilität der Atmosphäre.- 2.4.5 Exosphärische Dichteverteilung.- 3. Absorption und Dissipation von Sonnenstrahlungsenergie.- 3.1 Ursprung und Eigenschaften der Sonnenstrahlung.- 3.1.1 Aufbau der Sonne.- 3.1.2 Sonnenatmosphäre.- 3.1.3 Strahlungsspektrum.- 3.1.4 Variation der Strahlungsintensität.- 3.2 Extinktion von Sonnenstrahlung in der Hochatmosphäre.- 3.2.1 Absorptionsprozesse.- 3.2.2 Strahlungsextinktion in Gasen.- 3.2.3 Strahlungsextinktion in der Hochatmosphäre.- 3.2.4 Strahlungsabsorptionsbedingte Energieablagerung.- 3.3 Aufheizung und Temperaturverlauf.- 3.3.1 Wärmeerzeugung.- 3.3.2 Aufheizungsbedingter Temperaturanstieg.- 3.3.3 Wärmeverluste durch Abstrahlung.- 3.3.4 Wärmeverluste durch molekulare Wärmeleitung.- 3.3.5 Wärmebilanzgleichung und Temperaturverlauf.- 3.3.6 Abschätzung der Thermopausentemperatur.- 3.3.7 Temperatur- und Dichteschwankungen.- 3.3.8 Luftleuchten.- 3.4 Thermosphärische Winde.- 3.4.1 Tageszeitliche Windzirkulation: Beobachtungen.- 3.4.2 Bestandsaufnahme der zu berücksichtigenden Kräfte.- 3.4.3 Impulsbilanzgleichung.- 3.4.4 Thermosphärische Winde.- 3.5 Atmosphärische Wellen.- 3.5.1 Wellenparameter.- 3.5.2 Akustische Wellen.- 3.5.3 Auftriebsoszillationen.- 3.5.4 Schwerewellen.- 4. Ionosphäre.- 4.1 Höhenverlauf ionosphärischer Zustandsgrößen.- 4.2 Produktion und Verlust von Ionisation.- 4.2.1 Ionisationsproduktion.- 4.2.2 Ionisationsverluste.- 4.2.3 Chemische Zusammensetzung.- 4.3 Dichteverlauf in der unteren Ionosphäre (h < hm).- 4.3.1 Dichtebilanzgleichung.- 4.3.2 Dichteverlauf in der E-Region.- 4.3.3 Dichteverlauf in der unteren F-Region.- 4.4 Dichteverlauf in der oberen Ionosphäre (h > hm).- 4.4.1 Barometrische Dichteverteilung.- 4.4.2 Polarisationsfeld.- 4.4.3 Transportgleichgewicht.- 4.4.4 Produktionsbedingter Sinkstrom.- 4.5 Dichtemaximum und ionosphärische Zeitkonstanten.- 4.5.1 Ionosphärische Zeitkonstanten.- 4.5.2 Ionisationsdichtemaximum.- 4.5.3 Ionoexosphäre.- 4.6 Systematische Variationen der Ionisationsdichte.- 4.7 Radiowellen in der Ionosphäre.- 4.7.1 Natürliche und erzwungene Schwingungen eines Plasmas.- 4.7.2 Die Ionosphäre als Dielektrikum.- 4.7.3 Die Ionosphäre als leitende Reflexionsschicht.- 4.7.4 Magnetfeldeinfluß.- 5. Magnetosphäre.- 5.1 Grundlagen.- 5.2 Erdnahes Magnetfeld.- 5.3 Bewegung geladener Teilchen im Magnetfeld der Erde.- 5.3.1 Gyrationsbewegung $$(\overset{\to}{F}_{j\bot} = 0, \overset{\to}{\mathcal{B}} = \text{homogen}$$.- 5.3.2 Oszillationsbewegung $$(\overset{\to}{F}_{j\bot} = 0, \overset{\to}{\mathcal{B}}-\text{Gradient} || \overset{\to}{\mathcal{B}})$$.- 5.3.3 Driftbewegung.- 5.3.4 Zusammengesetzte Ladungsträgerbewegung.- 5.3.5 Coulomb-Stöße.- 5.4 Teilchenpopulationen der inneren Magnetosphäre.- 5.4.1 Strahlungsgürtel.- 5.4.2 Ringstrom.- 5.4.3 Plasmasphäre.- 5.5 Erdfernes Magnetfeld.- 5.5.1 Gestalt und Gliederung.- 5.5.2 Tagseitiger Magnetopausenstrom.- 5.5.3 Stromsystem des Magnetosphärenschweifs.- 5.6 Teilchenpopulationen der äußeren Magnetosphäre.- 5.6.1 Schweifplasmaschicht.- 5.6.2 Schweifflügelplasma.- 5.6.3 Magnetosphärengrenzschicht.- 5.7 Magnetoplasma-Wellen in der Magnetosphäre.- 6. Interplanetares Medium.- 6.1 Der Sonnenwind.- 6.1.1 Eigenschaften des Sonnenwindes in Erdbahnnähe.- 6.1.2 Gasdynamisches Modell.- 6.1.3 Temperaturverlauf.- 6.1.4 Erweiterte gasdynamische Modelle.- 6.1.5 Exosphärisches Modell.- 6.1.6 Großräumige Sonnenwindstruktur in der Ekliptik.- 6.1.7 Sonnenwindeigenschaften außerhalb der Ekliptik.- 6.2 Interplanetares Magnetfeld.- 6.2.1 Beobachtungen.- 6.2.2 Einfaches Modell des interplanetaren Magnetfeldes.- 6.2.3 Magnetfeldstruktur außerhalb der Ekliptik.- 6.2.4 Heliosphärische Stromschicht.- 6.2.5 Sektorstruktur und $$\mathcal{B}_{\phi}$$-Komponente.- 6.2.6 Interplanetares elektrisches Feld.- 6.2.7 Das interplanetare Medium als Magnetoplasma.- 6.3 Magnetoplasma-Wellen im interplanetaren Medium.- 6.3.1 Plasma-akustische Wellen.- 6.3.2 Alfvén-Wellen.- 6.3.3 Magnetosonische Wellen.- 6.4 Modifikation des Sonnenwindes durch die terrestrische Bugstoßwelle.- 6.4.1 Zur Entstehung der Bugstoßwelle.- 6.4.2 Änderung der Sonnenwindeigenschaften beim Durchgang durch die Bugstoßwelle.- 6.4.3 Ergebnisse von Modellrechnungen.- 6.4.4 Druckgleichgewicht an der Magnetopause.- 6.4.5 Die Bugstoßwelle als magnetoplasmadynamisches Phänomen.- 6.5 Wechselwirkung Sonnenwind — interstellares Medium.- 6.6 Energiereiche Teilchen im interplanetaren Raum.- 6.6.1 Energiereiche Teilchen galaktischen Ursprungs.- 6.6.2 Energiereiche Teilchen interplanetaren Ursprungs.- 6.6.3 Energiereiche Teilchen solaren und planetaren Ursprungs.- 7. Absorption und Dissipation von Sonnenwindenergie.- 7.1 Topologie der polaren Hochatmosphäre.- 7.2 Elektrische Felder und Plasmakonvektion.- 7.3 Ionosphärische Leitfähigkeit und Ströme.- 7.3.1 Modifikation der Ladungsträgerbewegung durch Stöße mit Neutralgasteilchen.- 7.3.2 Ionosphärische Transversalleitfähigkeit $$(\overset{\to}{\epsilon} \bot \overset{\to}{\mathcal{B}})$$.- 7.3.3 Parallelleitfähigkeit $$(\overset{\to}{\epsilon} || \overset{\to}{\mathcal{B}})$$.- 7.3.4 Ionosphärische Ströme.- 7.3.5 Magnetfeldeffekte.- 7.4 Polarlichter.- 7.4.1 Morphologie.- 7.4.2 Dissipation der Polarlichtteilchenenergie.- 7.4.3 Ursprung der Polarlichtteilchen.- 7.5 Neutralatmosphärische Effekte.- 7.5.1 Driftinduzierte Winde.- 7.5.2 Aufheizung.- 7.5.3 Zusammensetzungsstörungen.- 7.6 Energietransfer Sonnenwind-Magnetosphäre.- 7.6.1 Sonnenwinddynamo.- 7.6.2 Offene Magnetosphäre.- 7.6.3 Plasmakonvektion in der offenen Magnetosphäre.- 7.6.4 Offene Magnetosphäre mit Schweif.- 7.6.5 Rekonnexion.- 7.6.6 Ursprung der Birkeland-Ströme.- 7.6.7 Plasmaflankendynamo.- 8. Geosphärenstürme.- 8.1 Magnetische Stürme.- 8.1.1 Reguläre Variationen.- 8.1.2 Magnetische Aktivität in niedrigen Breiten.- 8.1.3 Magnetische Aktivität in hohen Breiten.- 8.1.4 Magnetische Aktivität in mittleren Breiten.- 8.2 Polarlichtteilstürme.- 8.3 Magnetosphärische Teilstürme.- 8.3.1 Wachstumsphase.- 8.3.2 Expansionsphase.- 8.4 Thermosphärenstürme.- 8.4.1 Zusammensetzungsstörungen in mittleren Breiten.- 8.4.2 Dichtestörungen in niedrigen Breiten.- 8.5 Ionosphärenstürme.- 8.5.1 Negative Ionosphärenstürme.- 8.5.2 Positive Ionosphärenstürme.- 8.6 Die Sonne als Ursprungsort von Geosphärenstürmen.- 8.6.1 Solare Massenauswürfe und magnetische Wolken.- 8.6.2 Korotierende Wechselwirkungsregionen.- 8.6.3 Sonneneruptionen.- 8.7 Technische Störungen.- A. Formeln, Tabellen und Ableitungen.- A.1 Ausgewählte mathematische Formeln.- A.2 Erdparameter.- A.3 Planetendaten.- A.4 Modellatmosphäre.- A.5 Diffusionsgleichung für Gase.- A.6 Ableitung der Impulsbilanzgleichung aus der Boltzmanngleichung.- A.7 Energiebilanzgleichung einer adiabatischen Gasströmung.- A.8 Bernoulli-Gleichung.- A.9 Rankine-Hugoniot-Gleichungen.- A.10 Maxwell-Gleichungen.- A.11 Krümmung einer Dipolfeldlinie.- A.12 Gradientdriftgeschwindigkeit.- A.13 Gleichungssystem der idealen Magnetoplasmadynamik.- A.13.1 Bilanzgleichungen eines Magnetoplasmas.- A.13.2 Maxwell-Gleichungen und das verallgemeinerte Ohmsche Gesetz.- A. 13.3 Überprüfung der Approximationen.- A.14 Zwei Theoreme der Magnetoplasmadynamik.- A.15 Magnetoplasma-Wellen.- A.15.1 Vereinfachung des Gleichungssystems.- A.15.2 Wellenausbreitung parallel zu einem vorgegebenen Magnetfeld.- A.15.3 Wellenausbreitung senkrecht zu einem vorgegebenen Magnetfeld.- A.15.4 Überprüfung der Approximationen.- A.16 Plasma-Instabilitäten.- B. Abbildungsreferenzen.