S2 - Bestimmung der Magnetfeldstärke eines Sonnenflecks

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Bestimmen sie die Magnetfeldstärke eines Sonnenflecks aus der Aufspaltung der Spektrallinien durch den Zeeman-Effekt.

Die Beobachtung wird mit dem Sonnenteleskop im Einsteinturm durchgeführt.

Datenreduktion für Daten die vor 2016 aufgenommen wurden:

Einloggen im Praktikumspool. Kopieren der Beobachtungsdaten (TIFF-Files) aus dem Verzeichnis ~/data/<datum> ins eigene Verzeichnis ~/<semester>/<gruppe>. Dabei muss <semester> durch eine aktuelle Semesterkennung (z.B. ss11) ersetzt werden. Mit dem Kommando ls wird der Inhalt des Verzeichnisses angezeigt. Es sollten nach dem Kopieren mindestens zwei TIFF-Dateien vorhanden sein, deren Namen u.U. auf Aufnahme des Ostrandes und des Westrandes hinweisen.

Die TIFF-Bilder können mit ImageMagick über das Konsolenkommando

display filename.TIF

angesehen werden. (Die Kontrasteinstellungen sind allerdings in der Regel unvorteilhaft eingestellt, so dass es extrem dunkel wirkt.) Zur Auswertung verwenden wir GDL. Das hier benötigte Programm muss dann folgende Schritte durchführen:

Konvertierung von TIFF in FITS mittels Befehlsbaustein vom Einsteinturm
Einlesen des Fits-Files
Umstellen der Byte-Ordnung der 16-bit-Zahlen (Bitte erst prüfen, ob dies bei den Daten vom Einsteinturm nötig ist!)
Für die anschließende Auswertung mit Python müssen die Bilder rotiert werden, sodass die Dispersionsrichtung in Richtung der x-Achse liegt. Dazu muss die Bildmatrix gedreht werden.
Speichern des konvertierten und rotierten Bildes als Fits-File

Praktischerweise steht bereits ein Programmbaustein im Skriptverzeichnis zur Verfuegung, der eine umfassende Konvertierungsroutine enthaelt. Im GDL-Programm konvert.pro ist diese inklusive eines kleinen Aufrufprogramms am Ende enthalten. Mittels eines Texteditors, z.B.

kate konvert.pro &

muss nun nur noch der Aufrufteil an die aktuelle Sitation (Bilddimensionen, Dateinamen) angepasst werden. Kompiliert wird das Programm nach dem Aufruf von GDL mittels

gdl> .compile konvert.pro

Der Aufruf selbst erfolgt ebenfalls unter gdl einfach mit dem Programmnamen, ueblicherweise

gdl> konvert

Das Programm erzeugt dann die entsprechend gedrehten Fits-Dateien. Diese können dann ausserhalb von GDL mit

ds9 filename.fits &

betrachtet werden. Das Bild sollte gegenüber dem Original deutlich klarer aussehen und die Dispersionsrichtung gedreht sein.

Für die Auswertung kann das aus dem Versuch S1 bekannte Python-Skript comparespecs.py verwendet werden. Die Angaben sind entsprechend anzupassen und es ist zu beruecksichtigen, dass nun beide Spektren in einer Datei stehen. Verwenden Sie den Editor ihrer Wahl. Die Spektren sollten wiederum über einige Reihen gemittelt werden, um potentielle Pixelfehler auszugleichen, wobei die Bereiche maximaler Aufspaltung auszuwählen sind. Speichern Sie das Skript und führen es mit

./comparespecs.py

aus. Dies ergibt eine PS-Datei mit den überlagerten Spektren, die mittels

gv speccmp.ps &

betrachtet werden kann. Der Dateiname kann auch innerhalb des Skripts angepasst werden. Die Verschiebung der Zeeman-Komponenten $\Delta \lambda$ muss ausgemessen werden. Für die Wellenlängeneichung werden die atmosphärischen Sauerstofflinien (nach unten stehender Tabelle) benutzt. Die magnetische Induktion ergibt sich zu:

$B[\mathrm{T}] = \frac{4\pi m_\mathrm{e} c}{e} \cdot \frac{\Delta \lambda}{g\lambda_0^2} = 2.142\cdot 10^7\cdot\frac{\Delta \lambda[\mathrm{nm}]}{g\lambda_0^2[\mathrm{nm}^2]} = 2.142\cdot 10^4\cdot\frac{\Delta \lambda[\mathrm{pm}]}{g\lambda_0^2[\mathrm{nm}^2]}$

mit den Wellenlängen $\lambda_0$ und Landé-Faktoren $g$:

	$\lambda_0\,[\mathrm{nm}]$
Fe	630,151	$g = \frac{5}{3}$
Fe	630,250	$g = \frac{5}{2}$
O₂	629.846
O₂	629.923
O₂	630,200
O₂	630,276

Es ist ein gemeinsames Protokoll aus den Versuchen S1 und S2 zu erstellen.

Im Protokoll ist zunächst auf die Theorie des Zeeman-Effektes einzugehen, sowie die Formel zur Bestimmung der Magnetfeldstärke aus dem Zeeman-Effekt herzuleiten. Des Weiteren ist die Bedeutung des Zeeman-Splittings für diesem Versuch zu erläutern (e.g. welche Polarisationskomponenten sind sichtbar und welche werden in diesem Versuch gemessen). Suchen sie im SOHO-Archiv das Sonnenfleckenbild, welches zum Beobachtungsdatum gehört und klassifizieren sie die Flecken nach dem Waldmeierschema. Die Magnetfeldstärke ist zu bestimmen und im Hinblick auf Plausibilität und Vergleichszahlen zu diskutieren.