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1. Physik des erdnahen Weltraums
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1. Space Physics of the Near-Earth Environment
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In diesem Arbeitsbereich des Instituts untersuchen wir
plasmaphysikalische Vorgänge im Sonnensystem. Für diese Untersuchungen werden
Experimente entwickelt, die in-situ in der Magnetosphäre der Erde, im
interplanetaren Raum oder auch in der Umgebung von Kometen das Studium von
plasmaphysikalischen Prozessen gestatten. Daneben werden bodengestützte
Experimente zur Beobachtung von Nordlichtphänomenen und zur Beobachtung der
Sonne eingesetzt.
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In this branch of the institute we are
investigating plasma physical processes inside the solar system. For these
studies, we develop scientific instruments for the in-situ investigation of
these processes, for example in the magnetosphere of the Earth, in
interplanetary space or in the environment of a cometary nucleus. In
addition, we use ground-based instrumentation for the investigation of the
aurora borealis and the atmosphere of the Sun.
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1.1 Experimente auf Erdsatelliten und Raumsonden
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1.1 Experiments on Earth Orbiting Satellites and Deep Space Missions
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Die Mission CLUSTER ist einer der "Cornerstones" des
wissenschaftlichen Programms der ESA und ist zugleich ein wesentlicher
Bestandteil
des internationalen For-schungsprogramms "ISTP" (International
Solar-Terrestrial Physics Program), in dessen Rahmen plasmaphysikalische
Prozesse in der näheren Umgebung der Erde, im Interplanetaren Raum und an
der Sonne erforscht werden. Die wichtigste Aufgabe von CLUSTER ist die
Untersuchung von Prozessen an Plasma-Grenzschichten. Mit insgesamt vier
Satelliten mit identischer Instrumentierung, die in einer variablen
Tetraederkonfiguration fliegen, wird es zum ersten Mal möglich werden,
dreidimensionale Strukturen und deren zeitliche Variation zu untersuchen und
räumliche und zeitliche Variationen zu unterscheiden.
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The CLUSTER mission is one of the
"cornerstones" of ESA's scientific program and is an important constituent
of the international "ISTP" program (International Solar-Terrestrial Physics
Program) for the study of plasma-physical processes in the near-Earth
environment,
in interplanetary space, and at the Sun. The prime purpose of CLUSTER is the
identification and detailed study of the space-time structure of the
processes
in plasma boundaries. The four CLUSTER spacecraft with identical
instrumentation fly in a tetrahedral formation when crossing regions of
interest. This will enable scientists for the first time to study
three-dimensional and time-varying phenomena and will make it possible to
distinguish between spatial and temporal variations.
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Nachdem die CLUSTER Mission beim ersten Versuch 1996 durch
die Explosion der Ariane-5 Trägerrakete kurz nach dem Start scheiterte, wurde
nun in diesem Jahr die Nachfolgemission mit zwei russischen Soyuz-Raketen von
Baikonur am 16. Juli bzw. 9. August erfolgreich gestartet. Nach Erreichen der
endgültigen polaren Umlaufbahn begann Ende August die sog. Commissioning
Phase,
in der die Instrumente in Betrieb genommen und ausgetestet wurden. Diese
Phase wird Ende Dezember abgeschlossen sein. Dann beginnt die eigentliche
wissenschaftliche Phase, zunächst mit Messungen in der Cusp-Region der
Magnetosphäre und ihrer Bugstoßwelle. Die Separationsdistanz der vier
Satelliten wird dann etwa 600 km betragen.
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After the CLUSTER mission was lost during
the first launch attempt in June 1996 due to the failure of the Ariane-5
launcher, the recovery mission was successfully launched by two Russian Soyuz
rockets from Baikonur on 16 July and 9 August 2000, respectively. After
reaching
their final polar orbit, the commissioning phase, in which the instruments
were turned on one at a time and functionally tested, began in late August.
This phase lasted until the end of the year. The science phase is now
beginning with measurements in the polar cusp regions of the magnetosphere
and its bow shock. The satellites have separation distances of approximately
600 km at this time.
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Zur wissenschaftlichen Nutzlast der Satelliten mit je 11
Experimenten hat das MPE einen großen Beitrag geleistet, und zwar beim
Elektronendrift Instrument EDI und beim CLUSTER-Ionen-Spektrometer CIS.
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MPE has been heavily involved in two of
the 11 instruments of the science payload: the Electron-Drift Instrument,
EDI, and the CLUSTER Ion Spectrometer, CIS.
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Das Hauptziel des Elektronendrift-Instruments (EDI)
ist die Messung der elektrischen Felder, die das Verhalten der Plasmen im
CLUSTER Orbit wesentlich bestimmen. Die EDI Methode basiert auf der Injektion
zweier schwacher Strahlen von 1 keV Elektronen ins umgebende Medium. Bei
Abwesenheit
elektrischer Felder würde das umgebende Magnetfeld die von zwei geeignet
platzierten Elektronenkanonen emittierten Elektronen auf eine Kreisbahn
zwingen, die sie nach einem vollständigen Umlauf zum Satelliten
zurückbringen würde. Typische Kreisbahndurchmesser betragen einige Kilometer.
Wie in Abb. III-1 dargestellt, führt ein elektrisches Feld zu
Abweichungen von der Kreisbahn, die die Rückkehr zum Satelliten verhindern,
mit Ausnahme von zwei ausgezeichneten Strahlrichtungen, die man durch aktive
Steuerung der Elektronenstrahlen bestimmen kann. Aus diesen zwei Richtungen
lässt sich das elektrische Feld sehr genau berechnen. Zur Registrierung der
zurückkehrenden Elektronen dienen zwei hochempfindliche Detektoren.
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The primary role of the Electron-Drift
Instrument (EDI) is the measurement of the electric fields that largely
control the behaviour of the plasmas encountered along the CLUSTER orbit. The
EDI technique is based on injecting two weak beams of 1-keV electrons into
the plasma. In the absence of an electric field, the ambient magnetic field
forces the electrons that are emitted from two suitably placed electron guns
into perfectly circular orbits and return them to the spacecraft after a
complete gyration. Typical gyro radii are a few km. Two high-sensitivity
detectors serve to record any returning electrons. As illustrated in
Fig. III-1, an electric field will induce small deviations from
the circular orbits that prevent the electrons from returning to the
spacecraft,
except for two unique directions that can both be determined through active
steering of the firing directions of the two beams. From the two measured
directions, one can very accurately compute the electric field.
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Für schwache elektrische und magnetische Felder werden die
Abweichungen der Strahlrichtungen unmessbar klein. In diesem Fall nutzt EDI
die Tatsache aus, dass die beiden Elektronenstrahlen auch unterschiedliche
Flugzeiten aufweisen Durch Modulation und Kodierung der Strahlintensität,
ähnlich den in der Radartechnik angewandten Methoden, kann EDI die Flugzeit
der Elektronen bestimmen.
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For weak electric and magnetic fields, the
electric field induced deviations in beam directions become too small to be
measurable. In this situation, EDI utilizes the fact that the electric field
also induces differences in the time-of-flight of the two beams. By
modulation and coding of the beams, in much the same way used in radar
systems, EDI is able to measure those time-of-flight differences.
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MPE hatte die Verantwortung für die steuerbaren Elektronenkanonen
und die Hochspannungsversorgungen, ebenfalls für Integration und Tests des
gesamten Instruments. Die Elektronendetektoren und die Kontrolleinheit sind
unter der Verantwortung von Gruppen in den USA (UCSD, UNH) entwickelt und
gebaut worden. Das MPE stellt auch den Principal Investigator, und hat somit
die Gesamtverantwortung für das Projekt.
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MPE has been responsible for the
electronically steerable electron guns and the high-voltage supplies for the
detector optics, for instrument integration, as well as environmental and
functional testing. The beam detectors and the instrument control unit were
developed and built by groups in the US (UCSD and UNH). MPE is also the
Principal Investigator, and thus has overall responsibility for the
investigation.
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Wissenschaftliche Ergebnisse sind naturgemäß zum jetzigen
Zeitpunkt noch nicht vorhanden. Die Leistungsfähigkeit von EDI lässt sich
aber an Hand eines Beispiels illustrieren. Abb. III-2 zeigt die
Richtungen aller von den Elektronenkanonen über einen Zeitraum von 0.5
Sekunden
emittierten Strahlen, die nach einem Umlauf im Magnetfeld zu den zugehörigen
Detektoren zurückgekehrt sind. Die Abbildung bezieht sich auf die Ebene
senkrecht zum äußeren Magnetfeld. Da der Satellit aber schräg zum Magnetfeld
steht, ist seine Projektion eine Ellipse und kein Kreis. Die Qualität der
Messung zeigt sich in der Tatsache, dass sich die Strahlen ungefähr in einem
Punkt schneiden. Der Vektor d vom Schnittpunkt zum Zentrum des Satelliten ist
proportional zur Driftgeschwindigkeit der Elektronen, und damit ein direktes
Maß für das elektrische Feld. Eine Zeitreihe der Größe d und des daraus
resultierenden elektrischen Feldes zeigt Abb. III-3.
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Scientific results are naturally not yet
available at this early stage of the mission. The performance of the EDI
instrument, can be documented with a few examples however. Fig. III-2
shows, for a time interval of 0.5 seconds, the electron firing directions
from both electron guns that returned the beam onto the associated detectors
after one gyration in the magnetic field. The plane of the figure is
perpendicular to the ambient magnetic field. As the satellite is oriented
obliquely with respect to the field, its projection is an ellipse rather than
a circle. The quality of the measurements is documented by the fact that the
firing directions cross over in nearly a single point. The vector d from the
crossover to the center of the spacecraft is proportional to the drift
velocity of the electrons, and thus a direct measure of the ambient electric
field. A sample time series of the quantity d and the resulting electric
field is shown in Fig. III-3.
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Die Messung der Flugzeit der Elektronen zwischen
Elektronenkanone und Detektor liefert auch eine sehr genaue Messung der
Stärke des Magnetfeldes. Dadurch war es möglich, die Offsets des vom
Flux-Gate Magnetometer FGM an Bord gemessenen Feldes entlang der
Satelliten-Spinachse zu identifizieren
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The measurements of the time-of-flight of
the electrons between guns and detectors are equivalent to precise
measurements of the magnetic field strength. In this way we can determine the
offsets along the satellite spin-axis of the magnetic field measured by the
on-board flux-gate magnetometer, FGM.
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Wissenschaftliches Ziel des
Cluster-Ionen-Spektrome-ter (CIS) Experimentes ist die Untersuchung
von Plasmastrukturen der Magnetosphäre der Erde, wie z.B. der Plasmaschicht,
der Magnetopause oder der Bugstoßwelle. Dabei kommt es darauf an, die volle
Verteilungsfunktion der Ionen bei gleichzeitiger Identifizierung der
Hauptionensorten (H+, He+, He2+,
O+)
mit höchstmöglicher Zeitauflösung zu messen. Um diesen Anforderungen
Rechnung zu tragen, wurden für CIS zwei Sensoren entwickelt
(Abb. III-4), CODIF (Composition and Distribution
Function Analyser, CIS-1) und HIA
(Hot Ion Analyser, CIS-2). Mit
CODIF werden die Zusammensetzung und 3D - Verteilungsfunktionen von Ionen im
Energiebereich 0 - 40 keV/e mit 1 Spin Zeitauflösung bestimmt, während HIA
bessere räumliche und zeitliche Auflösung, aber keine Information über die
Ionenzusammensetzung liefert.
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The scientific objective of the Cluster-Ion-Spectrometer (CIS) is
the detailed investigation of plasma structures in the magnetosphere of the
Earth, e.g. of the plasma sheet, the magnetopause, and the bow shock. It is
important to measure the full distribution function of the ions with high
time resolution and sufficient mass resolution to separate the most abundant
ions (H+, He+, He2+, and O+). In
order to cope with these requirements, the CIS experiment consists of 2
sensors (Fig. III-4), CODIF (Composition and Distribution Function
Analyser, CIS-1) and HIA (Hot Ion Analyser, CIS-2). CIS-1 will determine the
composition and 3D - distribution functions of the ions H+,
He+,
He2+, O+ in the energy range 0-40 keV/e with one spin
time resolution, whereas CIS-2 will provide better time- and spatial
resolution, but no composition measurements.
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Der Sensor CODIF besteht
aus einem elektrostatischen Analysator ("top-hat" Konfiguration) zur
Bestimmung der Energie/Ladung (E/q) der Ionen, mit einer instantanen
Akzeptanz von 360° im polaren Winkel. Eine volle dreidimensionale Verteilung
kann somit während einer Rotation des Satelliten (4 sec) gewonnen werden. Um
den hohen Dynamikbereich der Teilchenflüsse in der CLUSTER Bahn abzudecken,
ist die Eintrittsapertur in zwei Bereiche unterteilt, deren Geometriefaktoren
sich um einen Faktor 100 unterscheiden. Durch Nachbeschleunigung der Ionen
mit bis zu 20 kV und Messung der Flugzeit wird, zusammen mit der E/q
Bestimmung, eine Trennung nach Masse pro Ladung erreicht, so dass die Ionen
H+,
He2+, He+ und O+ bereits an Bord
identifiziert
werden können. Die Massenanalyse an Bord ermöglicht es weiterhin, für diese
vier häufigsten Ionensorten die Parameter Dichte, Geschwindigkeit und
Temperatur
an Bord zu berechnen. Dies, sowie die Speicherung von 2D- und 3D- Verteilungen
erlauben eine effiziente Übertragung der Daten.
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The sensor CODIF consists of a toroidal
top-hat electro-static analyser for the determination of the energy per
charge (E/q) of incoming ions, with instantaneous acceptance over 360° in
polar angle. Thus, a full three-dimensional distribution can be obtained
within one spin (4 sec). In order to cover the large dynamic range of particle
fluxes in the CLUSTER orbit, the aperture is subdivided into two halves with
geometrical factors different by a factor of 100. After post-acceleration of
the incoming ions by up to 20 kV, a time-of-flight mass spectrometer
separates the individual species and, with the E/q determination, the ions
H+,
He+, He2+, and O+ can be separated according
to their different mass per charge. On board mass per charge identification
makes it possible to compute onboard the plasma parameters density, velocity,
and temperature with high time resolution. This and the accumulation of 2D-
and 3D- distributions allow an efficient retrieval of the data stream.
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CIS wurde in einer großen internationalen Zusammenarbeit
unter der Leitung von CESR entwickelt (s.a. Multinationale Kollaborationen im
Teil V). Das MPE war verantwortlich für die Analogelektronik, die
Beschleunigungshochspannung,
die Mikrokanalplatten - Baugruppe, die Elektronikbox, sowie für Teile der
Flugzeitbaugruppe von CIS-1.
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CIS was developed in a large
international team under the lead of CESR (see Multinational Collaborations
in chapter V). MPE was responsible for the following components of CIS-1: the
analog electronics, the post-acceleration high voltage, the micro channel
plates, the electronic box and components of the time-of-flight section.
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Der für CLUSTER entwickelte Sensor CODIF wurde in
ähnlicher Konfiguration bereits auf den Satelliten FAST (Experiment TEAMS)
und Equator-S (Experiment ICI) erfolgreich eingesetzt. Für den Einsatz auf
CLUSTER wurde die Empfindlichkeit des Sensors für Protonen verbessert.
Mittlerweile liegen erste Ergebnisse von zwei der CLUSTER Satelliten aus der
Plasmaschicht und der Polarregion vor. Abb. III-5 zeigt ein
Energie-Zeit Spektrogramm für einen Durchgang des CLUSTER-Satelliten 3 durch
die Cusp Region der Erdmagnetosphäre.
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An almost identical time-of-flight plasma
analyser has been successfully flown as the TEAMS experiment onboard FAST and
as the ICI experiment onboard Equator-S. For Cluster, the sensitivity for
protons has been improved considerably. First measurements in the plasma
sheet and polar regions obtained during the commissioning phase are now
available
and demonstrate the capabilities of the instruments. Fig. III-5
shows an energy-time spectrogram obtained with spacecraft-3 of CLUSTER during
a passage of the cusp region of the magnetosphere of the Earth.
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Das Deutsche
Cluster Science Data Center (GCDC) an unserem Institut ist eines der
acht europäischen Datenzentren des Cluster Science Data System (CSDS).
Cluster-II wird während der zwei Jahre
Missionsdauer circa 330 GigaByte Daten liefern. Das GCDC wird die
wissenschaftlichen Daten für die Instrumente RAPID (Research with
Adaptive Particle Imaging Detectors) des
MPAe in Lindau und EDI unseres Instituts verarbeiten. Schwerpunkte in diesem
Jahr waren die internen Tests und die Überprüfung des gesamten Cluster
Science Data Systems. Getestet wurden die Datenproduktion, der Datenaustausch
zwischen den nationalen Datenzentren und das Cluster Data Management System
(CDMS). Diese Tests wurden erfolgreich abgeschlossen und in einem
abschließenden Review wurde festgestellt, dass das Datenzentrum in der Lage
ist, die Mission erfolgreich zu unterstützen
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The German Cluster Science Data Center (GCDC) located at our
institute is one of the 8 National Data Centers building the Cluster Science
Data System (CSDS). During the two-year mission Cluster II will deliver 330
Gigabyte of data. The GCDC will
process the scientific data for the instruments RAPID (Research with
Adaptive Particle Imaging Detectors) from the MPAe institute at Lindau and
EDI from our institute. The main tasks in 2000 were the internal checkouts
and tests of the Cluster data system. The tests included the processing and
exchange of data between the national data centers and the test of the
Cluster Data Management System (CDMS). All tests were successfully completed
and the final Readiness Review came to the conclusion that the data center is
ready to successfully support the Cluster mission.
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Eine weitere Aufgabe des GCDC (sozusagen als Pilotphase)
war die Erzeugung der Datenprodukte für alle Instrumente des Equator-S
Satelliten und deren Verteilung an die beteiligten Wissenschaftler. Darüber
hinaus wird seit 1997 ein am MPE installierter NASA CDAWeb Mirror vom GCDC
betreut, der den Wissenschaftlern vor Ort einen schnellen Zugriff auf die
Daten ausgewählter ISTP Missionen ermöglicht.
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Another major task of GCDC was the
generation and distribution of data products for all Equator-S instruments
to the scientific community. This task was used as a pilot project for
Cluster-II and showed the full functionality of the data center. Since 1997
GCDC maintains also a NASA CDA Web mirror site that provides fast access to
data of selected ISTP missions for local scientists and the European
community.
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Während sich das MPE vorwiegend mit der Plasmaumgebung der Erde und mit
energetischen Teilchen von der Sonne und der kosmischen Strahlung befasst,
sind wir derzeit auch an Experimenten zur Untersuchung der Wechselwirkung des
Sonnenwindes mit planetaren und
kleinen Körpern des Sonnensystems und der Konstitution dieser Körper
selbst beteiligt. Hierbei stehen die Staubexperimente CIDA für die
Kometenmission Stardust
der NASA und COSIMA für die Rosetta-Mission der ESA im
Vordergrund.
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While the plasma research at MPE is
focussed on the Earth’s environment and on energetic particles from the Sun
and Cosmic Rays, we have recently also became involved in problems of the
solar wind interaction with Planetary
and Small Bodies of the Solar System and of the constitution of these
bodies. In this context the dust analysers CIDA on the cometary
mission Stardust
of NASA and COSIMA to be flown on
the Rosetta mission of ESA are of
prime interest for the institute.
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Stardust ist eine NASA-Mission mit dem primären Ziel,
Staub- und Gasproben vom Kometen P/Wild-2 und aus dem interplanetaren Raum
zur Erde zurückzubringen. Der Cometary and Interstellar Dust Analyser
(CIDA) ist ein Flugzeitspektrometer
für Ionen, die beim Auftreffen von Staubkörpern auf ein Target gebildet
werden. Mit diesem Instrument wird nicht nur während des Kometenvorbeiflugs
im Jahre 2004, sondern auch in bestimmten Perioden der interplanetaren
Flugphase (hier vor allem der interstellare Staub, s.a. Kapitel II.1.3)
gemessen.
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Stardust has the primary goal to return to Earth samples of dust and
volatiles from comet P/Wild 2 and from interplanetary space. The Cometary and
Interstellar Dust Analyser (CIDA)
is a time-of-flight mass spectrometer for ions created at impact on a target.
The instrument will not only be operated at the cometary flyby in 2004, but
also during certain periods of the cruise phase, mainly with the aim to
collect interstellar dust grains (see chapter II.1.3).
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Die 1,3 Tonnen schwere Rosetta Sonde wird im Januar 2003 mit 1,6
Tonnen Treibstoff, 12 Geräten und einem Landemodul mit weiteren 9
Instrumenten zum Kometen 46 P/Wirtanen starten. Vorbei an Mars und Erde
(2005), am Asteroiden Otawara (2006), wieder an der Erde (2007) und am Asteroiden
Siwa (2008) wird die Sonde 2011 Wirtanen erreicht haben. Diesen wird die
Sonde dann bis zum Missionsende 2013 begleiten. Im Jahr 2012 wird das Landemodul
RoLand abgesetzt werden. Die intensivste Beobachtungsphase erstreckt sich
über die letzten 6 Monate, wenn der Komet sich der Sonne nähern und in seine
aktivste Phase treten wird.
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The 1.3-ton Rosetta spacecraft will be launched from Kourou in January
2003,
carrying 1.6 tons of fuel, 12 science instruments, and the landing module
RoLand with another 9 instruments, to comet 46 P/Wirtanen. On its way the
probe will pass by Mars and Earth for gravity assist maneuvers (2005), pass
by asteroid Otawara (2006), perform another gravity assist at Earth (2007),
flyby asteroid Siwa (2008) and finally reach Wirtanen in 2011. Rosetta will
accompany the comet until mission end in 2013. In 2012 RoLand will be
delivered, while the most intense observation and measuring phase will occur
during the last 6 months of the mission, when the comet enters its most
active phase.
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Die Instrumente auf der Rosetta Sonde und auf RoLand
werden durch Analysen des Gases und Staubes, die vom Kern kommen, durch
optische Messungen die Daten liefern, mit denen Wissenschaftler aus aller
Welt Informationen über den Ursprung der Kometen und ihre Verbindung zum
Interstellaren Staub gewinnen werden. Diese werden auch Aufschlüsse über die
Bedingungen bei der Entstehung unseres Sonnensystems geben.
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The instruments onboard Rosetta and
RoLand will provide the data from which scientists from all over the
world will derive clues on how comets were formed and their connection to
interstellar dust, through analyses of the gases and dust released by the
nucleus,
as well as by remote observations. This in turn will give us more insight
into the conditions present at the formation of our own solar system, as
comets are the least evolved samples of material from that time.
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COSIMA ist das
Analysegerät für kometaren Staub auf der ESA Mission Rosetta. Nach der
Entwicklung des Instrumentes, das beim Kometen
Wirtanen Staub aufsammeln und als Sekundärionen-Flugzeit-Massen-spektrometer
analysieren wird, konnten die ersten Exemplare an die ESA abgeliefert werden,
ein Strukturmodell (STM) und ein elektrisches Modell (EQM). Um bei dem engen
Zeitplan handlungsfähig zu bleiben, ist ein Verifikationsmodell
(Abb. III-6) fertig gestellt worden, mit dem die ersten
realistischen Probemessungen mit dem Gesamtinstrument, samt all seiner
zugelieferten Komponenten, möglich wurden. Erste Versuche haben geholfen,
offene Fragen zu klären und Störungen zu beseitigen, ohne dass dadurch die
Fertigstellung der Flugeinheit verzögert würde.
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COSIMA is the instrument for the analysis of cometary dust, which the
ESA mission Rosetta will collect
from comet Wirtanen. The method of analysis is secondary ion mass
spectrometry using a time-of-flight mass spectrometer. The first models (STM
and EQM) have been delivered to ESA. For more flexibility we have built a
verification model (Fig. III-6), which allows tests without
jeopardizing the schedule for the flight unit. First tests have helped to
solve interface issues as well as to reduce interferences between the many
subunits, which came here together fully functional for the first time.
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Das MPE ist ebenfalls an RoLand, dem Landemodul der Rosetta
Mission beteiligt, und zwar sind wir verantwortlich für
das Command and Data Management System (CDMS) und die Harpune. Durch die
Harpune wird nach Bodenberührung auf dem Kometenkern der Lander fest
verankert,
um einen Abprall und damit ein mögliches Entweichen in den Weltraum
auszuschließen. Ferner sind wir am Magnetometer (ROMAP) auf dem Lander
beteiligt. Im Berichtszeitraum wurden
Fertigung, Integration und Akzeptanztests der CDMS Flugeinheit durchgeführt,
die Motorsteuerung für die Motoren der Harpune in der Flugeinheit integriert,
sowie die Flugeinheiten der Magnetfeldsensoren gefertigt
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MPE is also involved in RoLand, the lander of the Rosetta
mission. We are responsible
for the Command and Data Management System and for the harpoons with which
the lander will be anchored to the cometary surface after touchdown in order
to prevent reflection from the surface, back into space. Furthermore, we are
participating in the magnetometer (ROMAP)
of the lander. This year we completed the fabrication, integration, and
acceptance
tests of the CDMS flight unit, we integrated the control unit for the motors
of the harpoon flight unit, and we fabricated the flight unit of the magnetic
field sensors.
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Das Projekt Cluster (EDI, CIS) wurde unterstützt von ESA
(1501073-2499). Die folgenden Projekte wurden von DLR unterstützt: Cluster:
GCDS (50.OC.9302.6), EDI (50.OC.8904.3), CIS (50.OC.8906.9); Rosetta
(50.QP.9701.2 und 50.QP.9706.6).
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The project Cluster (EDI, CIS) has been
supported by ESA (1501073-2499). The following projects have been supported
by DLR: Cluster-II: GCDS (50.OC.9302.6), EDI (50.OC.8904.3), CIS
(50.OC.8906.9); Rosetta (50.QP.9701.2 and 50.QP.9706.6).
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1.2 Bodenbeobachtungen
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1.2 Ground-Based Observations
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Zur Beobachtung der Chromosphäre der Sonne betreibt das MPE
seit April 1998 das Sonnenteleskop HASTA in El Leoncito, Argentinien. Mit
diesem Teleskop, das von 1941 bis 1987 auf dem Wendelstein aufgestellt war,
werden chromosphärische Beobachtungen in der H-alpha-Linie sowie
Weißlichtbeobachtungen durchgeführt. Das große Gesichtsfeld von HASTA
erlaubt die Abbildung der gesamten Sonnenscheibe. Daher ist das Instrument
besonders
zur fortlaufenden Aufzeichnung der Sonnen-aktivität und für die Suche nach
Flares geeignet (Abb. III-7). Alle fünf Sekunden wird automatisch
ein Bild der Sonne aufgenommen und ausgewertet, um
eventuelle Veränderungen gegenüber den vorherigen Bildern zu finden. Auch
wird alle fünf Minuten ein H-alpha-Bild
über das Internet öffentlich zugänglich gemacht.
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For observations of the solar chromosphere
the MPE uses since April 1998 the solar telescope HASTA at El Leoncito,
Argentinia. The telescope that was located at the Wendelstein mountain from
1941 to 1987 performs chromospheric solar observations in the H-alpha line
and in integrated white light. Since the field-of-view of HASTA allows
observing the whole disk, the instrument is particularly useful for the
continuous monitoring of solar activity and the search for flares
(Fig. III-7). Every five seconds an image is recorded
automatically and analysed to find changes compared to earlier images. An
H-alpha-image
is made publicly available at the internet every five minutes.
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Seit 1986 betreibt das MPE gemeinsam mit der Foundation of
Research and Technology, Hellas (F.O.R.T.H) und der Universität Kreta ein
kleines astronomisches Observatorium auf dem Skinakas (1750 m) im
Idagebirge. Zu dem 30 cm
Flat-Field-Teleskop kam Anfang der neunziger Jahre ein
1.3 m-Ritchey-Chretien Teleskop hinzu, das mit modernen CCD-Kameras,
Autoguider, Fokalreduktor, Standardfiltern und einem grob auflösenden
Gitterspektrographen
ausgerüstet ist. Ein fasergekoppelter Spektrograph und ein hochauflösender
Echellespektrograph sind seit diesem Jahr einsatzbereit. Für das MPE ist die
Verfügbarkeit eines solchen Teleskops für Zwecke der Langzeitbeobachtungen
veränderlicher Objekte und für Identifikationen von Röntgen- oder
Gammaquellen von großem Nutzen. Mehrere Untersuchungen solcher Art wurden in
mehr als 60 Beobachtungsnächten unternommen. In der Sonnensystemforschung
werden die Teleskope zum Studium der Dynamik von Kometenschweifen eingesetzt.
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Since 1986, MPE, the Foundation of
Research and Technology Hellas (F.O.R.T.H.), and the University of Crete have
run a common astronomical observatory on Skinakas (1750 m) in the Ida
mountains. In the beginning of
the 1990s, a 1.3-m Ritchey-Chretien telescope equipped with modern CCD
cameras, auto guider, focal reducer, standard filters, and a low-resolution
grid spectrograph was added to the 30-cm flat-field telescope. A
fibre-coupled spectrograph and a high-resolution Echelle spectrograph have
been installed in 2000. The main use for MPE arises from the availability of
such a telescope for long-duration observations of variable objects and for
identifications of X- and gamma-ray sources. Several investigations of this
kind have been carried out during more than 60 observing nights this year.
In solar system research,
we use the telescopes for studies of the dynamics of comet tails.
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Optische Beobachtungen des Polarlichts stellen wertvolle Ergänzungen zu
Satellitenmessungen in der Magnetosphäre dar, aus dreierlei Gründen. Einmal
lässt sich so die Geometrie von Stromschichten, die von Satelliten
durchflogen werden, bestimmen und des weiteren auch deren Eigendynamik und
zeitliche Entwicklung über den Moment der Satellitenmessung hinaus. Zum
dritten gibt die Intensitätsverteilung in verschiedenen Spektrallinien
ergänzende Auskunft über die Energieverteilung und den Energiestrom der das
Leuchten anregenden Polarlichtteil-chen. Um gleichzeitig Morphologie und
spektrale Verteilung des Polarlichts erfassen zu können, wurde eine
Multispektrale Kamera (SMI für Simultaneous-Sampling
Multi-Spectral Imager) entwickelt. Das Prinzip der Kamera besteht darin, mit
einer Optik in
vier verschiedenen Wellenlängen gleichzeitig abzubilden. Die Kamera wurde
in diesem Jahr in Sondreström getestet und wird dort Anfang 2001 erneut
eingesetzt werden.
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Optical observations of the aurora are a valuable complement
for satellite measurements in the magnetosphere for several reasons. (1) The
geometry of current sheets passed by the spacecraft can be determined, (2)
the dynamics and temporal evolution can be determined during and after the
passage of the spacecraft, and (3) the intensity distribution in different
spectral lines provides information on the energy distribution and the
energy flow of particles generating the auroral light. In order to study
simultaneously the morphology and spectral distribution of the aurora, a
multispectral auroral imager
(SMI for simultaneous sampling multi-spectra imager) has been developed at
MPE last year. This auroral imager will allow observing four lines at once
with
one single camera. The camera was tested for the first time at Sonderstrom
this year and will be used again in early 2001.
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Abb. III- 1: Prinzip der Messung mit dem
Electron Drift Instrument auf Cluster. Wegen der Verzerrung der Kreisbahn
durch das elektrische Feld gibt es nur eine Richtung, die die von einer
Elektronenkanone emittierten Elektronen nach einem Umlauf im Magnetfeld einen
auf der gegenüberliegenden Seite des Satelliten positionierten Detektor
treffen lässt. Hat man zwei Elektronen-Kanonen und Detektoren, so kann man
das elektrische Feld genau bestimmen, entweder aus den beiden ermittelten
Richtungen durch Triangulation, oder aus der Differenz der beiden Flugzeiten.
Fig. III-1: Principle of
operation of the Electron Drift Instrument on Cluster. Because of the
perturbation of the circular electron orbits by the electric field there is
only one firing direction that returns the electrons from the two guns to a
detector positioned on the opposite side of the spacecraft after a gyration
in the magnetic field. If one has two such electron guns and detectors, one
can determine the electric field either from the two firing directions via
triangulation, or from the difference between the times-of-flight of the two
beams.
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Abb. III-2: Richtungen der von den beiden
Elektronenkanonen emittierten Strahlen für ein 0.5 Sekunden langes Intervall
am 20. Oktober 2000. Während dieser Zeit drehte sich der Satellit um 45 Grad.
Die Entfernung zwischen dem Schnittpunkt der Strahlen und dem Zentrum des
Satelliten ist ein Maß für das elektrische Feld.
Fig. III-2: Emission directions of the two electron guns that
returned the beams to
the associated detectors, for a 0.5 second long interval on 20 October 2000.
During this interval the spacecraft rotated by 45 degrees. The distance from
the crossover points of the beams to the center of the spacecraft is a
measure of the electric field.
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Abb. III-3: Zeitreihe der EDI Messungen auf
Satellit 3 vom 20. Oktober 2000. Das oberste Panel zeigt die Größe des
Drift-Vektors d, das mittlere Panel seine Richtung. Das unterste Panel gibt
die aus d berechnete elektrische Feldstärke (in mV/m).
Fig. III-3: Time series of EDI
measurements on Spacecraft 3 on 20 October 2000. The top panel shows the magnitude
of the drift-vector d, the middle panel its direction. The bottom panel gives
the electric field strength (in mV/m) computed from d.
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Abb. III-4: Das Experiment CIS mit den beiden
Sensoren CIS-1 (links) und CIS-2 (rechts).
Fig. III-4: Experiment CIS in
flight configuration with the two sensors CIS-1 (left hand side) and CIS-2
(right hand side).
imahe
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Abb. III-5: Energie - Zeit Spektrogramm von
einem Durchgang durch die Polarregion der Magnetosphäre der Erde.
Fig. III-5:
Energy - time spectrogram from a passage through the polar regions of the
magnetosphere of the Earth.
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Abb. III-7: Zeitliche Sequenz einer mit HASTA am
9. November 1998 aufgenommenen aktiven Protuberanz.
Fig. III-7: Time sequence of an
eruptive prominence observed with HASTA on Nov 9, 1998.
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Abb. III-6: Verifikationsmodell von COSIMA. Das
Bild zeigt das Verifikations-Modell in einer geöffneten Vakuumapparatur. Der
hohe Teil enthält die gesamte Elektronik. Schräg nach hinten steht die
Primärionenquelle Das lange, senkrechte Teil mit dem weißen Zylinder am Ende
ist das Flugzeitspektrometer. Die schrägen Strukturen sind Teil des
Befestigungsapparates, der die enormen Kräfte beim Start aufnehmen muss.
(Der Targetmanipulator und das Mikroskop waren für diesen Test nicht
montiert.)
Fig. III-6: Verification Model
of COSIMA. The picture shows the Verification Model of COSIMA in an opened
vacuum chamber. The Target manipulator unit and the COSISCOPE have not been
mounted for this test. The structure extending to the upper left is the
primary ion source, the vertical structure is the time-of-flight spectrometer.
The big rear part houses all of the electronics, the two forward pointing
aluminium structures are part of the fixation system, which has to support
the entire instrument during launch.
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