ULF-Wellen

ULF-Wellen (Ultra-Low Frequency, ULF) haben eine Periode zwischen etwa 1 und 1000 Sekunden. Sie werden mit Magnetometern sowohl auf der Erde als auch im Weltraum gemessen. Man findet sie nicht nur im erdnahen Weltraum, sondern auch um andere Planeten und im interplanetaren Raum.

Die ULF-Wellenforschung begann 1859, als B. Steward am Kew Observatory einen magnetischen Sturm beobachtete. In den frühen Jahren konnten ULF-Wellen nur mit Bodenmagnetometern gemessen werden. So ließ sich zwar die Quelle dieser globalen magnetischen Oszillationen nicht herausfinden, aber man konnte sie katalogisieren. Man fand heraus, dass manche quasi-sinusoidal und kontinuierlich waren (continuous Pulsations, Pc), während andere unregelmäßige Frequenzen hatten und irreguläre Pulsationen (irregular Pulsations, Pi) genannt wurden.

Diese Wellen sind stehende oder fortschreitende Oszillationen des (Erd)Magnetfeldes. Auf den geschlossenen Dipolfeldlinien können sich (harmonische) stehende Wellen bilden, ähnlich den Oszillationen einer Geigensaite. Diese Wellen werden Feldlinienresonanzen genannt, die in die Kategorie Pc-5 fallen. Ihre Frequenz kann z.B. für die Abschätzung der Ionenmassedichte am magnetischen Äquator verwendet werden.

Periode, Frequenz und Amplitude für magnetosphärische Pulsationen Pc (periodic continuous), Pi (periodic irregular) und Pg (giant pulsations).

Im Weltraumzeitalter wurden in-situ Messungen gemacht, mit denen die Quelle und/oder Eigenschaften der Wellen bestimmt werden konnten. Man erkannte aber schon in den späten 1970er Jahren, dass man mehrere Satelliten benötigt, um vernünftige Messungen zu machen. Deshalb wurden 1977 ISEE 1 und 2 gestartet.

Im Magnetschweif können ULF-Wellen durch explosive Ereignisse wie magnetische Rekonnexion erzeugt werden. Durch die spezielle Geometrie des Schweifs, werden verschiedene Eigenmode wie z.B. Magnetotail Flapping erzeugt. Andererseits kann durch den schnellen Plasmafluss eine Instabilität auf der Seite des Flusskanals entstehen und die Kelvin-Helmholtz-Instabilität kann ULF-Wellen erzeugen.

Solche Wellen können mit Multi-Satelliten-Missionen wie Cluster, THEMIS und MMS sehr gut erforscht werden. Mit Mehr-Punkt-Messungen lassen sich Charakteristika wie Fortpflanzungsgeschwindigkeit und räumliche und zeitliche Entwicklung dieser ULF-Wellen gut bestimmen.

ULF-Wellen gibt es nicht nur in der Erdmagnetosphäre, sondern auch an anderen Orten im Sonnensystem. Leider gibt es bei diesen Beobachtungen meistens nur Daten eines einzelnen Satelliten.

Venus Express hat im Orbit um die Venus Ion-Zyklotron-Wellen (Pc-5) gemessen. Obwohl die Venus kein eigenes Magnetfeld hat, können diese Wellen im Sonnenwind rund um den Planeten erzeugt werden, indem Ionen durch Ionisierung von neutralen Teilchen aus der erweiterten Exosphäre kreiert werden.

Ein spezieller Fall war die Beobachtung des singenden Komets. Rosetta hat Wellen mit einer Frequenz zwischen 40 und 100 mHz rund um den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko gemessen. Diese Wellen wurden durch ein bislang unbeobachtetes Phänomen erzeugt. Weil der Gyroradius der neu kreierten Ionen sehr groß war, wurden die Magnetfeldlinien rund um den Kometen wie die Saiten einer Geige zum Schwingen gebracht. Während der Landung von Philae, auch mit einem Magnetometer ausgestattet, gab es für kurze Zeit 2-Punkt-Messungen.

Die ESA-Mission zum Merkur, BepiColombo, wird die hermetische Magnetosphäre untersuchen, die sehr dynamisch ist. Frühere Missionen haben gezeigt, dass es bei Merkur starke ULF-Wellenaktivität durch Rekonnexion gibt, aber auch Zyklotronwellen durch die Erzeugung von Ionen im Sonnenwind. Hier werden die beiden Raumsonden MMO und MPO 2-Punkt-Messungen der Magnetosphäre machen.

Die zukünftige Jupiter-Raumsonde der ESA, JUICE, wird ULF-Wellen in Jupiters riesiger Magnetosphäre erforschen. Am Ende der Mission wird JUICE in eine Umlaufbahn um Ganymed gebracht und dessen kleine Magnetosphäre untersuchen, von der man weiß, dass es Feldlinienresonanzen gibt.