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Magnetismus im Zusammenspiel zwischen Sonnenwind und Erdmagnetfeld

Abb.: Sonnenwind in Interaktion mit dem Erdmagnetfeld

Welche optische Erscheinung können wir auf unserer Erde wahrnehmen?
Positiv wie negativ geladene Teilchen werden von der Sonne in alle Richtungen gleichförmig in das Universum abgestrahlt und treffen teilweise auch auf unsere Erde. In gezeigter Abbildung sei der Abstand zwischen Sonne und Erde extrem verkürzt dargestellt.
Zusatz: Frage Dich, wie diese optische Erscheinung entstehen könnte?
Ergebnis: Siehe Strategie und Lösungsvorschlag
- Sonnenfinsternis
- Polarlichter
- Sonnenflecken
Aufgrund der genannten Lösungsstrategie erfahren die Ladungen des Sonnenwindes Krafteinwirkungen
Einerseits durch das Erdmagnetfeld eine Kraft $\vec{F} _{Lorenz}$ ( $\vec{v}_{TeilA}$ ⊥ $B$ ) wirkt, wodurch die Ladungen zunächst senkrecht auf das $B$ -Feld der Erde treffend, abgeblockt, genauer kreisbewegend abgelenkt werden . . .
. . . andererseits und gleichzeit jener Geschwindigkeits- und damit Kraftanteil $\vec{F}$ ( $\vec{v}_{TeilB} =$ $B$ ), weiter in Richtung der Erde zeigt und damit die Ladungen in Richtung Erde führt . . .
. . . woraus sich in Summe eine spiraldrehende Führung entlang der Feldlinien des Magnetfeldes der Erde ergibt
Die nun an Nord- und Südpol geführten Ladungen interagieren mit der Atmosphäre der Erde, speziell den Gasen Sauerstoff und Stickstoff
Warum Nord- und Südpol bzw. warum eine Leuchtwirkung entsteht, bringt uns zu den nachfolgenden Fragen :-)
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Bewegte elektrisch geladene Teilchen $e_{+}$ und $e_{-}$ interagieren mit einem Magnetfeld, in dieser Aufgabe konkret dem Erdmagnetfeld.
Das Erdmagnetfeld übt auf die bewegten Ladungen eine Kraft genannt $\vec{F}_{Lorentz}$ aus
Dies gemäß der Formel $\vec{F}_{Lorentz}=q\cdot{\vec{v}}\cdot{\vec{B}}$
Stelle Dir die Frage, in welcher kreisförmigen Bewegung die von der Sonne ausgehenden Ladungen auf die Erde gelenkt werden könnten?
Hilfestellung und Wiederholung (siehe LINK)
Warum werden die Ladungen des Sonnenwindes ausgerechnet an den Nord- und Südpol gelenkt?
- An Nord- und Südpol ist das Erdmagnetfeld sehr schwach und die Ladungen können ungehindert eindringen.
- Das Erdmagnetfeld entspringt und endet an den Polen der Erde. Die Magnetische Feldlinien tauchen bis zur Erdoberfläche tief in die Atmosphäre ein
- Die Pole sind positv und negativ und ziehen die entsprechenden Ladungen des Sonnenwindes an
Die einzelnen Ladungen $q$ werden (siehe vorherige Teilaufgabe) spiralförmig an den Feldlinien des Erdmagnetfeldes geführt.
Alle Feldlinien des Erdmagnetfeldes entspringen bzw. enden an Nord- bzw. Südpol
Dementsprechend werden alle Ladungen eben an die Polkappen der Erde geführt
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Frage Dich, inwieweit die Ladungen $q$ an Magnetischen Feldlinien geführt werden?
Frage Dich, wo ist die Magnetische Flußdichte $B$ am stärksten?
Warum entsteht ein sichtbares Leuchten?
- Die schnell mit hoher Energie eintauchenden Ladungen $q$ reiben sich mit den Gasen der Atmosphäre, dadurch entsteht Reibungswärme und Hitze, welches ein Glühen und damit für den Menschen sichtbares Leuchten erzeugt.
- Die eintauchenden Ladungen $q$ verbinden sich aufgrund der hohen Energie mit den Gasatomen der Atmosphäre. Es entsteht eine chemische Reaktion, welche das Leuchten erzeugt.
- Die energetisch eintauchenden Ladungen $q$ stoßen in tieferen Höhen (also Erdnähe) mit den verschiedenen atmosphärischen Gasatomen zusammen, regen diese energetisch in verschiedenen Höhen an. Dadurch leuchten Gase, was wir sehen können
Polarlichter entstehen tatsächlich durch von äußeren Ladungen $q$ angeregten Gasatomen. Kehren die Gasatome in ihre natürliche Struktur zurück geben sie u.a. für uns sichtbares Licht in Form von Photonen (Lichtteilchen, Welle) ab.
Für die weitere Erklärung dieses Phänomens gehen wir von aus Gründen der Vereinfachung nachfolgend von Sauerstoff in seiner atomaren Struktur $O$ aus, obwohl Sauerstoff in der Atmosphäre natürlich als zweiatomiges Molekül $O_{2}$ vorliegt.
Sauerstoff O als Darstellung im Bohr'schen Atommodell
Durch die Anregung von Ladungen $q$ (unser an den Polen einfallende Sonnenwind) können Elektronen auf eine nächsthöhere Schale (hier M) gehoben oder angeregt werden (siehe Abb. 2).
Bereits nach kurzer Zeit stellt sich allerdings wieder der natürliche Zustand ein und mit dem "Herunterfallen" des angehobenen Elektrons auf seine ursprüngliche Schale, wird die aufgenommene Energie in Form von u.a. sichtbarem Licht (also Photonen) wieder abgegeben, welches wir in der unzähligen Vielzahl der gleichzeitigen Vorgänge als Polarlichter wahrnehmen können. Hierbei spricht man auch von der Emission von Licht.
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Überlege Dir im Vorfeld wie gasförmige Atome der Atmosphäre (insbesondere Sauerstoff oder Stickstoff) zum Leuchten gebracht werden können.
Tipp: Ein ähnliches Prinzip liegt sogenannten Gasentladungslampen wie Leuchtstoffröhren (hier allerdings Quecksilberatome) zugrunde.

Magnetismus im Zusammenspiel zwischen Sonnenwind und Erdmagnetfeld

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