THEMIS

In Regionen nahe der Polarkreise kann man in klaren Nächten Polarlichter mit hoher Dynamik beobachten, die sich in Richtung Äquator bewegen und sich innerhalb von wenigen Minuten in viele Farben aufteilen. Ein solches Ereignis kann der Beginn eines magnetischen Teilsturms sein, bei dem energiereiche Teilchen aus der Magnetosphäre entlang der Magnetfeldlinien beschleunigt werden und auf die Hochatmosphäre treffen. Teilstürme machen sich in Magnetfeldmessungen als sehr rasche Änderungen des Feldes bemerkbar.

Entstehung eines Teilsturmes im Magnetfeld-Schweif. Magnetfeldlinien verbinden sich (Rekonnexion), Plasma wird dabei zur Erde hin beschleunigt.

Die wissenschaftliche Nutzlast der THEMIS Satelliten besteht aus einem Fluxgate-Magnetometer (FGM), aus Instrumenten zur Detektion niederenergetischer Teilchen (Electrostatic Analyser, ESA) sowie hochenergetischer Teilchen (Solid State Telescope, SST), einem Search Coil Magnetometer (SCM) und einem Instrument zur Messung des elektrischen Feldes (EFI). Eines der Hauptexperimente, das Fluxgate-Magnetometer, wurde am Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der TU Braunschweig entwickelt. Die Magnetometer-Kalibrierung wurde in Kooperation mit dem Institut für Weltraumforschung in Graz durchgeführt.

Um die plasmaphysikalischen Prozesse, die zu einem Teilsturm führen, besser verstehen zu lernen, und um die räumliche Ausbreitung eines Teilsturmes zu erforschen, wurde im März 2003 die THEMIS Mission (Time History of Events and Macroscopic Interactions during Substorms) als künftige Medium Class Explorer (MIDEX) Mission der NASA unter 42 Mitbewerbern ausgewählt. Mit Hilfe von 5 auf hochelliptischen Bahnen platzierten Satelliten sowie Bodenstationen im Norden der USA und in Kanada soll die zeitliche Abfolge der Ereignisse während eines magnetischen Teilsturmes erforscht werden. Weitere wissenschaftliche Ziele sind die Erforschung der Teilchenpopulationen in den Strahlungsgürteln und der Wechselwirkungen des Sonnenwindes unmittelbar mit dem Magnetfeld sowie mittelbar mit der Ionosphäre der Erde.

Sensor des Fluxgate-Magnetometers, gekapselt und befestigt am Ausleger eines THEMIS Satelliten

Das THEMIS Team am IGEP

Karl-Heinz Glaßmeier (Lead Investigator)
Hans-Ulrich Auster (Technischer Manager)
Karl-Heinz Fornaçon (Sensorik)
Kai Okrafka (Experiment-Tests)
Ingo Richter (Kalibrierung)
Yasuhito Narita (Datenbearbeitung)
Dragos Constantinescu (Datenbearbeitung)
Ferdinand Plaschke (Datenbearbeitung)

Das Forschungsvorhaben wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) (Förderkennzeichen 50 OC 0302) gefördert.

Missionsverlauf

Die fünf THEMIS-Satelliten wurden am 17. Februar 2007 vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral in Florida (USA) aus gestartet. Der Start verlief reibungslos, ebenso die Abtrennung der Satelliten von der Trägerrakete. In den ersten Monaten nach dem Start flogen alle fünf Satelliten in einer Reihe auf einem gemeinsamen Orbit. Diese erste Orbit-Konfiguration hat sich als bemerkenswert förderlich bei der Erforschung von Wellenphänomenen in der tagseitigen Magnetosphäre und an deren Grenze, der Magnetopause, herausgestellt. Im September 2007 fand dann der Einschuß in die Orbits der Missions-Hauptphase statt. In der dann eingenommenen Flugkonfiguration befinden sich die Satelliten nach jeweils vier Tagen an den jeweiligen Apogäen auf einer gemeinsamen Linie mit den THEMIS Bodenstationen auf der Erde. Diese Konfiguration ist optimal auf das primäre Missionsziel, die Erforschung der zeitlichen und räumlichen Entwicklung von Teilstürmen, abgestimmt. Außerdem ist geplant, zum Ende der Mission zwei der fünf Satelliten in eine stabile Umlaufbahn um den Mond zu schicken, um insbesondere die Wechselwirkung des Mondes mit dem Sonnenwind und der Erdmagnetosphäre zu untersuchen.

Separation der THEMIS Satelliten von der Oberstufe der Trägerrakete

Orbits der Missions-Hauptphase: THEMIS Satelliten in einer Reihe auf der sonnen-abgewandten Seite der Erde. Die Sonne ist im Hintergrund zu sehen.

Links

Teilsturmentstehung

Zur Zeit werden zwei konkurrierende Szenarien für den Teilsturmprozess diskutiert: Das Current-Disruption Modell (CDM) und das Near Earth Neutral Line Modell (NENL).

Zeitliche Abfolge der Ereignisse während eines Teilsturmes nach dem CDM

Das CDM fordert in der nachtseitigen Magnetosphäre eine lokale Plasmainstabilität bei etwa einem Abstand von 8-10 R_E, als dessen Folge der Schweifstrom in der Magnetosphäre unterbrochen und über die tagseitige Ionosphäre abgeleitet wird. Als Folge der Schweifstromunterbrechung wird auch eine „Verdünnungswelle“ erzeugt, die schweifwärts mit hohen Geschwindigkeiten läuft und bei etwa 25 R_E Rekonnexion im Schweif auslöst.

Zeitliche Abfolge der Ereignisse während eines Teilsturmes nach dem NENL

Das NENL hingegen geht von einem Rekonnexionsprozess bei etwa 25 R_E als dem Trigger des Teilsturms aus. Sogenannte „Bursty Bulk“ Flows transportieren große Energiemengen in die innere Magnetosphäre, wo diese in thermische Energie konvertiert wird und der Plasmastrom nahe der inneren Kante der Plasmaschicht um die Erde geleitet wird. Dabei entstehen die feldparallelen Ströme der Teilsturmschleife.

Vektorkompensierter Fluxgate-Sensor

Zwei ineinandergefügte Ringkerne dienen als Sensor für die Vermessung des Magnetfeldvektors. Mittels eines Helmholtzspulensystems wird das Magnetfeld an der Position des Sensors kompensiert. Der Spulenstrom wird als Maß für das Magnetfeld genutzt.
Die Abbildung zeigt den Sensor am Ende des 2m langen Booms, der nach dem Start ausgeklappt wird und damit das Störfeld des Satelliten am Sensorort deutlich verringert.

Digitale Fluxgate-Elektronik

Das Sensorsignal (die erste Oberwelle des Anregungssignals) wird direkt nach dem Vorverstärker mit einem Vielfachen der Anregungsfrequenz digitalisiert.
Die Auswertung des Sensorsignals erfolgt durch eine Signalanalyse in einem programmierbaren Baustein (FPGA), in dem ein Prozessor integriert ist.
Im Gegensatz zu der herkömmlichen analogen Signalverarbeitung (Filter + phasenempfindlicher Gleichrichter) ist die digitale Signalverarbeitung unabhängig von Temperatureinflüssen und kann mittels Softwareänderungen an individuelle Sensoreigenschaften auch während des Fluges angepasst werden.
Die Digitale Fluxgate-Elektronik wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Magson GmbH Berlin entwickelt.
Die Elektronik für das THEMIS Magnetometer ist auf der rechten Seite der abgebildeten Leiterplatte zu sehen.

Referenzen

Neben einer Vielzahl von Einsätzen in terrestrischen Anwendungsgebieten liefern ähnliche Magnetometer auf dem Rosetta Lander und auf der Venus Express Mission erfolgreich wissenschaftliche Daten.

Parameter

Masse: Sensor 80 g, Elektronik 150 g
Leistungsaufnahme: < 900 mW
Messbereich / Auflösung: 25.000 nT / 3 pT
Rauschen: 10 pT/√Hz
Temperaturabhängigkeit: 20 pT/°C

Die Inbetriebnahme des Experimentes erfolgte durch die Firma Magson GmbH in Berlin.
Die Abhängigkeit des Messergebnisses von der Elektroniktemperatur wurde im IGEP ermittelt.
Die Abhängigkeit der Sensorparameter von der Sensortemperatur wurde im IWF Graz vermessen (siehe Abbildung rechts oben).
Die Bestimmung der Ausrichtung der magnetischen Achsen des Sensordreibeins sowie eine Vergleichsregistrierung im Erdfeld wurde in den Magson Testeinrichtungen in Jeserigerhütten durchgeführt (siehe Abbildung unten rechts).
Skalenwerte und Orthogonalität des Sensors wurden in den magnetischen Testeinrichtungen der TU Braunschweig in Magnetsrode kalibriert (siehe Abbildung links oben).
Bei allen Funktionstests im Rahmen von Experimentintegration und Umwelttest (Thermal-Vakuum & Vibration) wurden der Sensor in einer speziell zu diesem Zweck gefertigten transportablen Messvorrichtung untergebracht (siehe Abbildung links unten). Das Erdmagnetfeld wurde in dieser Messvorrichtung abgeschirmt und Testfelder konnten mittels eines Spulensystems angelegt werden. Somit konnten an allen Testorten (UCB und JPL) weltraumähnliche Messbedingungen hergestellt werden.

Publikationen bis April 2009

Anderson, L., R. E. Ergun, J. Tao, A. Roux, O. LeContel, V. Angelopoulos, J. Bonnell, J. P. McFadden, D. E. Larson, S. Eriksson, T. Johansson, C. M. Cully, D. N. Newman, M. V. Goldman, K.-H. Glassmeier, and W. Baumjohann, New features of electron phase space holes observed by the THEMIS mission, Phys. Rev. Lett., 102, 225004, doi:10.1103/PhysRevLett.102.225004, 2009.
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Ergun, R. E., L. Andersson, J. Tao, V. Angelopoulos, J. Bonnell, J. P. McFadden, D. E. Larson, S. Eriksson, T. Johansson, C. M. Cully, D. N. Newman, M. V. Goldman, A. Roux, O. LeContel, K.-H. Glassmeier, and W. Baumjohann, Observations of Double Layers in Earth′s Plasma Sheet, Phys. Rev. Lett., 102, 155002, doi:10.1103/PhysRevLett.102.155002, 2009.
Eriksson, S., H. Hasegawa, W.-L. Teh, B. U. Ö. Sonnerup, J. P. McFadden, K.-H. Glassmeier, O. Le Contel, V. Angelopoulos, C. M. Cully, D. E. Larson, R. E. Ergun, A. Roux, C. W. Carlson, Magnetic island formation between large-scale flow vortices at an undulating postnoon magnetopause for northward interplanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 114, A00C17, doi:10.1029/2008JA013505, 2009.
Gabrielse, C., V. Angelopoulos, A. Runov, H. U. Frey, J. McFadden, D. E. Larson, K.-H. Glassmeier, S. Mende, C. T. Russell, S. Apatenkov, K. R. Murphy, and I. J. Rae, Timing and localization of near-Earth tail and ionospheric signatures during a substorm onset, J. Geophys. Res., 114, A00C13, doi:10.1029/2008JA013583, 2009.
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Publikationen 2008

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