Erdfernerkundung - Numerische Physik: Modellierung

232 KAPITEL 5. DIE ERWEITERTE PERSPEKTIVE: CAWSES
abkühlen soll, muss sie zwangsläufig auch auf der Tagseite eine lokal unausgeglichene Strahlungsbilanz
haben. Außerdem wird ein großer Teil der a Äquator eingestrahlten Energie
über die Zirkulationssysteme von Atmosphäre und Ozean in höhere Breiten transportiert.
• Lokal zeigt die Emission der Erde zeitliche Variationen auf vielen verschiedenen Skalen
(Tagesgang, Jahresgang, Variationen auf längeren Skalen). Welche Mittlungsperioden sind
für die Bestimmung einer Strahlungsbilanz sinnvoll?
• Gerade in niedrigen Breiten variiert die terrestrische Ausstrahlung stark mit dem El Nino.
Haben die Ozeane eine Rolle in der Strahlungsbilanz in ihrer Eigenschaft als Zwischenspeicher
von Wärme? Über welche Zeitskalen muss gemittelt werden?
5.1.2 Energiereiche Teilchen
§ 760 Energiereiche geladene Teilchen lassen sich nicht durch remote sensing nachweisen
(außer, sie werden so stark beschleunigt, dass sie Röntgenstrahlung erzeugen) sondern nur
in-situ. 4 Vom Messprinzip her sind diese Instrumente daher nicht Bestandteil der Erdfernerkundung
– sie fliegen teilweise als Monitoring Instrumente (SEM, [577]) zum Verständnis
des näheren Erdumfeldes und insbesondere der auf den Satelliten wirkenden Einflüsse; teilweise
fliegen sie auch als eigenständige Instrumente zur Untersuchung eben dieser Teilchen.
Beginnen wir mit dem Messprinzip.
Wechselwirkung geladene Teilchen und Materie
§ 761 Die wichtigsten Stichworte zur Wechselwirkung energiereicher geladener Teilchen mit
Materie sind Energieverluste durch Anregung und Ionisation, beschrieben durch die Bethe-
Bloch-Formel, Bremsstrahlung, der Cerenkov-Effekt und Kernwechselwirkungen. In diesem
Abschnitt sollen die hier erwähnten Elementarprozesse vorgestellt werden und ihre Anwendung
auf Detektoren diskutiert werden. Für Übersichten siehe z.B. [5, 6, 18, 130, 132, 234].
§ 762 Der wichtigste Prozess bei der Wechselwirkung eines energiereichen geladenen Teilchens
mit Materie ist der Energieverlust durch Anregung und Ionisation. Beim Vorbeiflug
eines geladenen Teilchens an einem Atom wird Energie an eines der Hüllenelektronen abgegeben.
Dieses Elektron kann auf ein höheres Energieniveau angehoben werden (Anregung)
oder das Atom verlassen (Ionisation). Der sich dabei ergebende Energieverlust des geladenen
Teilchens ist durch die Bethe–Bloch Formel gegeben zu
− 1 dE
ρ dx
4πe4
=
mec2 Z
A
z2 β2 �
ln
� Emaxc 2
〈I〉
�
− β 2 − Ci
�
δ
−
Z 2
. (5.2)
Das Bremsvermögen hängt somit von den Materieparamtern Kernladungszahl Z, Atomgewicht
A und Dichte ρ, der mittleren Ionisationsenergie 〈I〉 und den Teilchenparametern Ladung
z und Geschwindigkeit β = v/c ab. Der zweite Term in der Klammer berücksichtigt
die relativistischen Effekte, der dritte Term enthält Korrekturfaktoren zur Berücksichtigung
der geringeren Ionisationswahrscheinlichkeit der inneren Schalen bei niedriger Einfallsenergie,
der letzte Term gibt die Polarisation des Absorbers für hohe Teilchenenergien wieder
[5, 132, 234].
4 Die gleiche Einschränkung gilt natürlich auch für das Plasma, d.h. den thermischen Teil der Teilchenverteilung.
Auch dieses lässt sich im wesentlichen nur in-situ untersuchen – lediglich die Elektronendichte lässt sich
mit Hilfe von Radiowellen auch als remote sensing messen. Ebenso lassen sich Elektronen (zumindest wenn sie
durch Materie oder Magnetfelder hinreichend abgelenkt werden) über die emittierte Röntgenstrahlung nachweisen.
Plasmainstrumente werden wir im Rahmen dieses Skripts nicht näher diskutieren: obwohl die wie die
Teilcheninstrumente im wesentlichen Elektronen und Protonen, das Plasma eben, messen, unterscheiden sie
sich von diesen im Messprinzip: beim Nachweis energiereicher Teilchen wird die Wechselwirkung des einzelnen
Teilchens mit dem Detektormaterial betrachtet. Damit lassen sich die einzelnen Teilchen identifizieren und
charakterisieren. Bei der Untersuchung des Plasmas dagegen werden kollektive Effekte vieler Teilchen, z.B.
Ladungsdichten, betrachtet. Letzteres ist u.a. durch die geringen Energiedichten der einzelnen Plasmateilchen
gefordert.
2. Juli 2008 c○ M.-B. Kallenrode