3.1. Physik des erdnahen Weltraums /
Space Physics of the Near-Earth Environment
|
|
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.
|
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.
|
3.1.1 Experimente auf Erdsatelliten und Raumsonden /
Experiments on Earth Orbiting Satellites and Deep Space Missions
|
|
Die Mission CLUSTER
ist einer der "Cornerstones" des wissenschaftlichen Programms der ESA. Die
wichtigste Aufgabe von CLUSTER ist die Untersuchung von Prozessen an
Plasma-Grenzschichten. Mit insgesamt vier Satelliten mit identischer
Instrumentierung,
die in einer variablen Tetraeder-Konfiguration fliegen, ist es zum ersten
Mal möglich, dreidimensionale Strukturen und deren zeitliche Variation zu
untersuchen und räumliche und zeitliche Variationen zu unterscheiden.
|
The CLUSTER mission is one of the "cornerstones" of ESA's scientific
program. 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 enables scientists for the
first time to study three-dimensional and time-varying phenomena and makes it
possible to distinguish between spatial and temporal variations.
|
|
Nach dem erfolgreichen Start im Juli/August 2000, und
dem Ende der Commissioning Phase
der Instrumente im Januar 2001, begann am 1. Februar die eigentliche
wissenschaftliche
Phase, zunächst mit Messungen in der Cusp-Region der Magnetosphäre und
ihrer Bugstoßwelle. Die Separationsdistanz der vier Satelliten betrug zu
dieser Zeit etwa 600 km. Im August erreichte CLUSTER dann den Schweif der
Magnetosphäre,
bei Separationsdistanzen von nunmehr 2000 km. Im Jahre 2001 konnten damit
insbesondere die Polarregionen einschließlich der Cusp, sowie die
Bugstoßwelle, die Magnetopause und die Plasmaschicht untersucht werden (s. a.
2.1).
|
After the successful launch in
July/August 2000, and the end of the commissioning phase of the instruments
in January of this year, the true science phase began on 1 February, with
measurements in the polar cusp regions of the magnetosphere and its bow
shock. The separation distance between the satellites was approximately 600
km at this time. In August the satellites entered the Earth's magnetotail,
now with separation distances of 2000 km. In 2001 we studied in particular
the polar regions including the cusp, the bow shock, the magnetopause, and
the plasma sheet. (s. a. 2.1).
|
|
Das MPE ist an zwei der 11 Instrumente der wissenschaftlichen
Nutzlast wesentlich beteiligt, und zwar beim Elektronendrift Instrument EDI
und beim CLUSTER-Ionen-Spektrometer CIS.
|
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.
|
|
Das Hauptziel des Elektronendrift -Instruments
(EDI) ist die Messung der Plasmadrift auf Grund elektrischer Felder. Die
EDI Methode basiert auf der Injektion zweier Elektronenstrahlen (niedriger
Intensität) von ~1 keV ins umgebende Medium und der Messung ihrer Versetzung
infolge der Plasmadrift (s. a.
Jahresbericht 2000).
|
The primary role of the Electron-Drift Instrument (EDI) is the
measurement of the plasma drift resulting from the electric fields. The EDI
technique is based on injecting two weak beams of 1 keV electrons into
the plasma and detecting their displacement induced by the plasma drift
(s. a.
Annual Report 2000).
|
|
Bereits die ersten Messungen auf CLUSTER haben die
Leistungsfähigkeit von EDI voll bestätigt. Insbesondere zeigt sich die
Überlegenheit dieser Technik in Gebieten geringer Plasmadichte, wo die
klassische Doppelsondentechnik naturgemäß nur bedingt anwendbar ist.
|
The first measurements on CLUSTER have
established the excellent performance of the EDI instrument. The advantage
of the technique becomes particularly evident in regions of low plasma
density, where the classical double-probe technique reaches its natural
limitations.
|
|
|
Abb. 3-1: Verwendung der EDI Flugzeitmessungen zur
Kalibrierung des Flux-Gate Magnetometers auf CLUSTER. Die EDI Messungen, nach
Konversion von Flugzeit in Magnetfeldstärke, sind rot (Rohdaten) bzw. blau
(gleitende Mittel) kodiert. Aus der Magnetfeld-Skala der beiden heraus
vergrößerten Intervalle erkennt man, dass hierbei eine Genauigkeit von etwa
0.1 nT erreicht wird. Die schwarze Linie zeigt die Messungen des Magnetometers
nach ihrer Anpassung an die EDI Messungen.
Fig. 3-1: Use of the EDI
time-of-flight measurements to calibrate the flux-gate magnetometer (FGM) on
CLUSTER. The EDI measurements, after conversion from time-of-flight to
magnetic field strength, are marked red (raw data) and blue (running
average). From the magnetic field scale of the two magnified inserts one can
see that accuracies of 0.1 nT are achieved this way. The FGM measurements are
marked as black lines.
|
|
Zur Messung der Plasmadrift in schwachen Magnetfeldern,
und zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses, bestimmt EDI auch sehr
genau die Flugzeit der Elektronen, und zwar durch Modulation und Kodierung
der emittierten Elektronenstrahlen und Korrelationsanalyse des empfangenen
Signals. Ein Nebeneffekt dieser Messungen ist, dass sie eine sehr genaue
Messung der Stärke des Magnetfeldes liefern. Dadurch ist eine absolute
Kalibrierung des Flux-Gate Magnetometers FGM möglich. Abb. 3-1 zeigt ein
Beispiel für eine gelungene Kalibrierung.
|
To measure the plasma drift in low magnetic
fields, and to help with signal-to-noise ratio, EDI measures precisely the
time-of-flight of the electrons through modulation and coding of the emitted
beams and correlation analysis of the detected signal. A side-effect of these
measurement is that they provide a precise measurements of the ambient
magnetic field strength. This allows an absolute calibration of the on-board
flux-gate magnetometer, FGM. Fig. 3-1 shows an example of a successful
calibration.
|
|
Wissenschaftliches Ziel des Cluster-Ionen-Spektrometer
(CIS) Experimentes ist die Untersuchung von Plasmastrukturen der
Magnetosphäre der Erde, wie z.B. der Plasmaschicht, der Magnetopause oder der
Bugstoßwelle. Um den Anforderungen hoher Zeitauflösung und Massenseparation
Rechnung zu tragen, wurden für CIS zwei Sensoren entwickelt, CODIF
(Composition and Distribution Function Analyser, CIS-1) und HIA (Hot Ion
Analyser, CIS-2). Ein Schemabild des CIS-1 Sensors zeigt Abb. 3-2
(s. a.
Jahresbericht 2000).
|
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 or the
bow shock. In order to cope with the requirements of high time resolution and
on-board mass separation, the CIS experiment consists of two sensors, CODIF
(Compo-sition and Distribution Function Analyser, CIS-1) and HIA (Hot Ion
Analyser,
CIS-2). A schematic view of CIS-1 is shown in Fig. 3-2 (s. a.
Annual Report 2000).
|
|
Abb. 3-2: Schemabild des CIS-1 (CODIF) Sensors. Die
Abbildung illustriert die Messtechnik. Mit dem elektrostatischen Analysator
wird E/Q, mit der Flugzeitstrecke die Geschwindigkeit der Ionen ermittelt.
Fig. 3-2: Schematic view of the CIS-1
(CODIF) sensor. The schematic illustrates the measurement technique, using
an electrostatic analyser for E/Q determination and a time-of-flight section
to determine the velocity of the ions.
|
|
Komplexe Flugzeit-Massenspektrometer wie CODIF
erfordern umfangreiche Eichmessungen, sowohl vor dem Start, als auch während
der Betriebsphase. Darüber hinaus ist bei CLUSTER die Gegen-Eichung der
Sensoren auf verschiedenen Satelliten besonders wichtig, da Parameter wie
z.B. Dichtegradienten oder Geschwindigkeitsunterschiede bestimmt werden
sollen.
So wurde ein Großteil der Testphase und ein Teil der Routine-Betriebsphase
für die Flugeichung der CIS Experimente verwendet. Die Flugeichung besteht
aus (1) Eichung der CIS-1 und CIS-2 Sensoren auf den einzelnen Satelliten,
(2) Gegen-Eichung der CIS Sensoren auf verschiedenen Satelliten, (3)
Gegen-Eichung von Parametern wie z.B. Plasmadichte von anderen CLUSTER
Experimenten (z.B. aus einem Vergleich der mit WHISPER gemessenen
Plasmafrequenz)
und (4) Gegen-Eichung mit Plasma Sensoren anderer Missionen im Interplanetaren
Raum (z.B. ACE, SOHO) und in der Magnetosphäre (z.B. Geotail). Die Ergebnisse
der Flugeichung werden eingesetzt, um die Kalibrierungsfiles, die zur
Umwandlung der Messgrößen in physikalische Parameter notwendig sind,
regelmäßig
auf den neuesten Stand zu bringen.
|
Complex mass spectrometers using
time-of-flight techniques for mass separation require extensive pre-flight
and in-flight calibration, as well as in-flight cross-calibration.
Furthermore, on CLUSTER the cross-calibration of the instruments on different
spacecraft is essential for the reliable determination of, for example,
density gradients or velocity differences. Thus, much of the commissioning
phase and part of the routine operations has been devoted to the in-flight
calibration of the CIS sensors. The in-flight calibration tasks can be
summarized as (1) inter-calibration of CIS-1 and CIS-2 on each spacecraft,
(2) inter-calibration of the CIS sensors on different spacecraft, (3)
inter-calibration of some parameters (e.g. plasma density) as obtained with
other experiments onboard CLUSTER (e.g. plasma density derived from plasma
frequency measurements with WHISPER) and (4) inter-calibration with plasma
sensors of other inter-planetary (e.g. SOHO, ACE) and magnetospheric missions
(e.g. Geotail). The inter-calibration results are used for regular updates of
the calibration files used for on-board moment calculations and ground data
analysis.
|
|
Das German Cluster Science Data Center (GCDC) an
unserem Institut ist eines der acht europäischen Datenzentren des Cluster
Science Data Systems (CSDS). Das GCDC verarbeitet die wissenschaftlichen
Daten für die Instrumente RAPID
(Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) des MPAe in Lindau und
EDI unseres Instituts. Schwerpunkt in diesem Jahr war die Aufnahme des
Routinebetriebs des gesamten Cluster Science Data Systems. Das erste Jahr des
Routinebetriebs verlief äußerst erfolgreich und das Datenzentrum konnte die
CLUSTER Mission voll unterstützen.
|
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). The GCDC is responsible for
processing 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 task in
this year was the start of the routine operation of the Cluster Science Data
System. The first year of routine operation was very successful and the GCDC
was able to fully support the CLUSTER mission.
|
|
Die Mission STEREO
(Solar Terrestrial Relations Observatory) ist die dritte Mission der
Solar-Terrestrial Probes der NASA. Die Mission besteht aus zwei auf die
Sonne ausgerichteten, Drei-Achsen stabilisierten Observatorien mit identischer
Instrumentierung in heliozentrischer Umlaufbahn bei ~1 AU, wobei eine
Sonde der Erde vorausläuft, die andere der Erde nachläuft. Die beiden
Observatorien werden sich mit einer Rate von ~22° pro Jahr von der Erde-Sonne
Linie entfernen und damit stereoskopische Beobachtungen der Sonnenatmoshäre
aus zwei Richtungen ermöglichen. Primäres wissenschaftliches Ziel ist die
wesentliche
Verbesserung unseres Verständnisses der drei-dimensionalen Struktur der
Korona der Sonne, insbesondere bezüglich des Ursprungs, der Entwicklung und
den Auswirkungen von koronalen Massenauswürfen (CMEs). Der
PLASTIC (Plasma and Supra-Thermal
Ion Composition) Sensor ist der primäre Sensor für die Untersuchung des
solaren Windes und suprathermischer Ionen. PLASTIC bestimmt die
Verteilungsfunktion
von Solar Wind Protonen und Alpha Teilchen. PLASTIC ermöglicht ebenfalls,
allerdings mit geringerer Zeitauflösung, die Bestimmung der Element- und
Ladungszusammensetzung
der häufigsten schweren Ionen (z.B. C, O, Ne, Mg, Si und Fe), sowie deren
Geschwindigkeit und kinetische Temperatur. Der PLASTIC Sensor basiert auf dem
CODIF Sensor auf CLUSTER, mit verbesserter Massenauflösung und auf 100 keV/e
erweitertem Energiebereich. Das MPE ist im wesentlichen an der
Flugzeitelektronik
beteiligt, die für CODIF/CLUSTER und CELIAS/SOHO entwickelt wurde und nun,
mit nur geringen Modifikationen, für PLASTIC eingesetzt wird.
|
The Solar Terrestrial Relations
Observatory (STEREO) mission is
the third in the line of NASA’s Solar Terrestrial Probes. It consists of two
sunward pointing three-axis stabilized spacecraft with identical
instrumentation,
placed in a heliocentric orbit at ~1 AU. The spacecraft will drift away from
the Earth-Sun line at a rate of ~ 22° per year, with one spacecraft
leading the Earth and the other spacecraft trailing the Earth. Thus, STEREO
will provide a stereoscopic view of the Sun and its atmosphere. The primary
scientific goal of the mission is to advance our understanding of the
three-dimensional structure of the Sun’s corona, especially regarding the
origin, evolution and consequences of coronal mass ejections (CMEs). The
Plasma and Supra-Thermal Ion Compo-sition (PLASTIC)
experiment is the primary sensor on STEREO for studying the solar wind and
suprathermal particles. PLASTIC measures the distribution functions of solar
wind protons and alphas. It also provides, with smaller time resolution, the
elemental composition, charge state distribution, kinetic temperature and
velocity of the more abundant solar wind heavy ions (e.g., C, O, Ne, Mg, Si
and Fe). PLASTIC is based on the design of the CODIF sensor onboard CLUSTER
with improved mass resolution and an energy range extended to 100 keV/e. MPE
is mainly involved in the time-of-flight electronics that has been developed
at MPE for CODIF/CLUSTER and CELIAS/SOHO and is now being used for PLASTIC,
with only small modifications.
|
|
Seit einigen Jahren ist das MPE auch an Experimenten
zur Untersuchung der Wechselwirkung des Sonnen-windes mit planetaren und
kleinen Körpern des Sonnensystems, sowie 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.
|
Since several years the MPE is also
involved in studies 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.
|
|
Abb. 3-3: COSIMA Flugeinheit nach Integration auf der
ROSETTA Raumsonde. Die Abbildung zeigt das Flugmodell der ROSETTA Raumsonde
und die Eintritts-Apertur von COSIMA (Pfeil).
Fig. 3-3:
COSIMA flight unit after integration into the ROSETTA spacecraft. The picture
shows the ROSETTA Flight unit with the entrance aperture of COSIMA (arrow).
|
|
|
COSIMA ist ein Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer
zur Analyse von kometaren Staub auf der ESA Mission ROSETTA (Abb. 3-3).
Nach umfangreichen Tests wurde im Juni die Flugeinheit abgegeben. Es sind
zwar noch erhebliche Mängel in der physikalischen Funktionsweise dieses
Gerätes vorhanden, aus Termingründen musste für die geplanten Tests jedoch
ein elektrisch funktionierendes Modell bereitgestellt werden. Nach
Integration war COSIMA eines der ersten Instrumente, das den "Integrated
System Test" erfolgreich beendete.
|
COSIMA is a time-of-flight secondary
ion mass spectrometer for the analysis of cometary dust for the ROSETTA
mission (Fig. 3-3). The flight unit was delivered in June this year,
however with serious deficiencies of its physical function. The delivery was
necessary because the project needed the device for the upcoming tests on
system level. After its integration, COSIMA was one of the first units to
complete successfully the "Integrated System Test".
|
|
Im Labor ging die fieberhafte Suche nach den physikalischen
Mängeln weiter. Da viele Komponenten von zuliefernden Instituten stammten,
war dies nicht immer einfach. Zuletzt wurde die Justierung der
Primärionenquelle
verbessert, die Strahlführung für die Primär- und die Sekundärionen
optimiert, sowie die Versorgungsspannung des Ionendetektors erhöht. Damit
ist mittlerweile die richtige physikalische Funktion gesichert.
|
In parallel, extensive laboratory
tests were carried out to identify the cause for the missing physical
functionality,
a difficult task as so many parts were contributed from other participating
institutes. Finally we achieved the full functionality by improving the
adjustment of the primary ion source and the guidance for the primary and
secondary ions and by increasing the operational voltage of the ion detector.
|
|
Ein zweites flugqualifiziertes Instrumentmodell ist derzeit
im Bau und soll im nächsten Jahr zum Flugmodell werden.
|
A second flight model is currently
being built and then will replace the current flight model next year.
|
|
Das MPE ist ebenfalls an RoLand, dem Landemodul der ROSETTA
Mission beteiligt (s.a.
Annual Report 2000).
Im Berichtszeitraum wurden die
CDMS Flugeinheit, die elektronische Steuerung der Harpunen, sowie die
Magnetfeldsensoren in das Landemodul integriert. Die beiden Harpunen werden
wegen der eingebauten pyrotechnischen Gasgeneratoren aus Sicherheitsgründen
erst so spät wie möglich, d.h. während der Startvorbereitungen in Kourou im
Sommer 2002, integriert.
|
MPE is also involved in RoLand, the lander of the ROSETTA mission
(s. a.
Annual Report 2000).
This year we completed the integration of the CDMS flight unit,
the electronics of the harpoons and the magnetic field sensors. Because of
the pyrotechnical gas generators involved, the flight units of the harpoon -
anchor system will be integrated as late as possible, i.e. during the launch
preparations at the launch sight at Kourou in summer 2002.
|
|
Das Projekt CLUSTER (EDI, CIS) wurde unterstützt von
ESA (1501073-2499). Die folgenden Projekte wurden von DLR unterstützt:
CLUSTER: GCDS (50.OC.9302 und 50.OC.0104), EDI (50.OC.8904.), CIS (50.OC.8906
und 50.OC.0102), ROSETTA (50.QP.9701 und 50.QP.9706).
|
The project CLUSTER (EDI, CIS) has
been supported by ESA (1501073-2499). The following projects have been
supported by DLR: CLUSTER: GCDS (50.OC.9302 and 50.OC.0104), EDI
(50.OC.8904), CIS (50.OC.8906 and 50.OC.0102), ROSETTA (50.QP.9701 and
50.QP.9706).
|
3.1.2 Bodenbeobachtungen / Ground -Based Observations
|
|
Das H-alpha Sonnenteleskop für Argentinien (HASTA) auf El
Leoncito, Argentinien, wird seit April 1998 vom MPE für chromosphärische
Beobachtungen in der Halpha-Linie
sowie für Weißlichtbeobachtungen benutzt. Einzigartig bei HASTA ist das
große Gesichtsfeld, das eine Abbildung der gesamten Sonnenscheibe mit hoher
räumlicher (1.5 Bogensekunden) und zeitlicher Auflösung (bis 3 sec)
gestattet. Damit ist das Instrument besonders für eine kontinuierliche
Überwachung der Sonnenaktivität geeignet (s. a.
Annual Report 2000).
Eine Übersicht der Beobachtungszeiten bis zum Dezember 2001, sowie
Halpha- Bilder und -Filme sind über die
HASTA Webseite des
MPE allgemein zugänglich. HASTA wird ab 2002 vom Max-Planck-Institut für
Aeronomie in Katlenburg-Lindau weitergeführt.
|
The H-alpha Solar Telescope for Argentina (HASTA) at El
Leoncito, Argentinia, is used since April 1998 to perform chromospheric solar
observations in the Halpha line and in integrated white light.
The unique feature of HASTA
is the full coverage of the solar disk with high spatial (1.5 arcsec) and
time (down to 3 sec) resolution, providing continuous monitoring of solar
activity (s. a.
Annual Report 2000).
Monthly and daily log files showing the
periods of observation up to December 2001, and Halpha- images
and -movies are now publicly available via the
HASTA web page at MPE. From
2002 onwards, the responsibility for HASTA will be transferred to the
Max-Planck-Institut für Aeronomie (MPAe) at Katlenburg-Lindau.
|