Wie spaltet sich ein Sonnenwind-Plasmoid, wenn es die Magnetosphäre berührt?

Ich möchte versuchen, (Computergrafik-) Polarlichter auf physikalische Weise so realistisch und realisierbar wie möglich darzustellen. Mir ist bewusst, dass das Phänomen noch nicht vollständig erklärt wurde (soweit meine eigene Forschung geht). Aber auf der Suche nach Informationen habe ich viele verschiedene Aussagen darüber gesehen, wie sich das Plasma verhält, wenn es auf die Magnetosphäre trifft. So verstehe ich derzeit die Reise eines Plasmas zur Erde. Vielleicht bin ich irgendwo falsch oder ich vermisse den Physikunterricht:

  1. Die Sonne sendet Sonnenwinde oder koronale Massenauswürfe aus, die beide Plasmen sind. Und obwohl das Plasma Ionen enthält, ist es selbst in keiner Weise aufgeladen. Der Plasma-"Klecks" ist neutral.
  2. Das Plasma bewegt sich ziemlich schnell in Richtung Erde (Lichtgeschwindigkeit?). Wenn es auf den Bugschock trifft, wird es abgebremst.
  3. Und kurze Zeit nachdem es die Magnetosphäre berührt. Was als nächstes passieren wird, hängt davon ab, ob das Plasma ein Sonnenwind oder ein CME ist?
  • CME-Fall: Das Plasma hat immer noch eine so hohe Geschwindigkeit, dass eine magnetische Wiederverbindung stattfindet. Die äußeren Feldlinien der Magnetosphäre teilen sich also am magnetischen Äquator und falten sich nach oben/unten in Richtung der Erdpole. (Ich schaue von der Seite der Erde. Der Sonnenwind kommt also von links/rechts)
  • Sonnenwind-Fall: Die Ionen des Plasmas bewegen sich wirbelnd entlang der äußeren Feldlinien der Magnetosphäre. (Aufgrund der Lorentzkraft? Oder durch welchen Einfluss ist es möglich, dass sich die Elektronen entlang der Feldlinien, die Vektoren sind, die ausschließlich nach oben zum magnetischen Südpol der Erde zeigen, aufwärts UND abwärts bewegen können?)

Entschuldigung, wenn ich hier eine seltsame Frage geschlachtet habe. Wie oben erwähnt, bin ich kein Physikstudent und das erworbene Wissen kam alles aus dem Internet, NASA-Webseiten und ein paar Papieren.

Antworten (1)

Das Plasma bewegt sich ziemlich schnell in Richtung Erde (Lichtgeschwindigkeit?). Wenn es auf den Bugschock trifft, wird es abgebremst.

Nein, Plasma bewegt sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit. Es fließt von der Sonne an ≥ 300 km/s (normalerweise näher an 400 km/s und über 800 km/s). Ja, das Plasma, das den Bugstoß schneidet, wird abgebremst, da alle Strömungen eine Stoßwelle durchlaufen . Das Plasma, das den Bugstoß verfehlt, fließt jedoch einfach mit seiner vorherigen Geschwindigkeit weiter.

Und kurze Zeit nachdem es die Magnetosphäre berührt. Was als nächstes passieren wird, hängt davon ab, ob das Plasma ein Sonnenwind oder ein CME ist?

Irgendwie ja. Der Hauptunterschied besteht darin, dass koronale Massenauswürfe (CMEs) dazu neigen, einen höheren Staudruck und Magnetfeldgeometrien zu haben, die dazu beitragen, die Magnetosphäre der Erde zu beeinflussen .

CME-Fall: Das Plasma hat immer noch eine so hohe Geschwindigkeit, dass eine magnetische Wiederverbindung stattfindet. Die äußeren Feldlinien der Magnetosphäre teilen sich also am magnetischen Äquator und falten sich nach oben/unten in Richtung der Erdpole. (Ich schaue von der Seite der Erde. Der Sonnenwind kommt also von links/rechts)

Nein nicht wirklich. Die Geschwindigkeit des CME bestimmt nicht, ob eine magnetische Wiederverbindung auftritt. Die Geometrie des Magnetfelds in der CME gegenüber der Magnetosphäre bestimmt die Wiederverbindungsrate. Was bei der Wiederverbindung passiert, habe ich unter https://physics.stackexchange.com/a/559759/59023 eine Antwort geschrieben , die ein nützlicher Hintergrund sein kann.

Sonnenwind-Fall: Die Ionen des Plasmas bewegen sich wirbelnd entlang der äußeren Feldlinien der Magnetosphäre. (Aufgrund der Lorentzkraft? Oder durch welchen Einfluss ist es möglich, dass sich die Elektronen entlang der Feldlinien, die Vektoren sind, die ausschließlich nach oben zum magnetischen Südpol der Erde zeigen, aufwärts UND abwärts bewegen können?)

Ich bin mir wirklich nicht sicher, was du hier zu beschreiben versuchst. Ich könnte vermuten, dass Sie an einzelne Teilchenbahnen in einem Dipol-Magnetfeld denken. Wenn dies der Fall ist, schlagen Sie Themen zu eingefangenen Teilchen in den Strahlungsgürteln nach , um die drei stabilen Drifts von Teilchen in einer Dipolgeometrie zu sehen.

Und ja, all das liegt immer an der Lorentzkraft . Teilchen bewegen sich entlang des Magnetfelds, weil der mit dem Magnetfeld verbundene Teil der Lorentzkraft orthogonal zum Magnetfeld wirkt. Das heißt, in Abwesenheit elektrischer Felder können die Teilchen genau entlang eines Magnetfelds strömen, ohne eine Kraft zu erfahren, solange das Feld homogen/gleichmäßig ist und Änderungen viel langsamer als bei einer typischen Kreiselperiode auftreten.

Was die Darstellung von Ressourcen betrifft, sollten Sie Goddard's Science Visualization Studio (SVS) nachschlagen .

Oh! Danke! Also, wenn ich die Situation richtig erfasst habe, werden die Elektronen zum geografischen Nord-/Südpol der Erde geschleust, weil sie den Strahlungsgürtel nicht durchdringen können ... aber wenn ja, warum treten Polarlichter im Kreis auf/ ovale Mode? Warum ist nicht die ganze Gegend voller Polarlichter, sondern nur ein Kreis, wie eine Krone auf der Ober- und Unterseite der Erde?
@kiaat - Warum könnten Elektronen die Strahlungsgürtel nicht durchdringen? Die Plasmen im Weltraum sind kollisionsfrei, weil die Dichten so niedrig und die Temperaturen so hoch sind. Der äußere Strahlungsgürtel besteht hauptsächlich aus energiereichen Elektronen (100 keV bis >10 MeV). Die Aurora wird durch ~1-10 keV Elektronen verursacht.
Sie sind kollisionsfrei?! Nun, das ist mir neu! In meiner Vorstellung dachte ich, die Elektronen würden auf den Feldlinien "surfen" und dann auf den magnetischen Süd-/Nordpolen landen. Sogar die Bilder, die ich bisher gesehen habe, deuteten darauf hin. Das klärt meine Hauptfrage, danke! Aber ich bin immer noch verwirrt darüber, dass die Polarlichtzone eine kreisförmige Linie anstelle eines vollständigen Kreises ist?
@kiaat - Kollisionsfrei bedeutet, dass die Partikel über extrem lange Strecken strömen können, ohne eine Coulomb-Kollision zu erleiden. Technisch gesehen sind Plasmen bestenfalls schwach kollisionsfähig, aber im Falle von Schocks sind sie kollisionsfrei, da die mittlere freie Weglänge etwa 6 Größenordnungen größer ist als die Schockdicke.
Wie spaltet sich ein Sonnenwind-Plasmoid, wenn es die Magnetosphäre berührt?
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