Planetarische Kennziffern der geomagnetischen Aktivität

Der geomagnetische 3-Stunden Kp-Index wurde 1949 von J. Bartels eingeführt und ist abgeleitet vom standardisierten K-Index (Ks) aus 13 magnetischen Observatorien. Er wurde als Maß für die magnetischen Effekte solarer Teilchenstrahlung entwickelt.

Die geomagnetischen Indizes/abgeleiteten Indizes ap, Ap, Cp und C9, sowie die Klassifikation der internationalen Q-days (Tage mit niedriger geomagnetischer Aktivität) und D-days (Tage mit hoher geomagnetischer Aktivität) sind vom Kp-Index abgeleitet.

Dieser Service ist ein Beitrag zum "International Service of Geomagnetic Indices" (ISGI) der IAGA.

Echtzeit Kp-Index

Tagesaktueller Echtzeit-Plott des Kp-Index in Balkendiagrammdarstellung mit Wochenübersicht:

Aktuelle definitive Werte des Kp-Index

Planetarische Kennziffer, dargestellt im historischen "Musikdiagramm":



Geomagnetische Störungen werden von magnetischen Observatorien an der Erdoberfläche gemessen, die kontinuierlich die drei Komponenten des magnetischen Feldvektors registrieren. Der globale Kp Index ist ein Maß für die natürlichen Störungen und berechnet sich als mittlerer Wert aus dem Störungsgrad K der beiden horizontalen Feldkomponenten an 13 ausgewählten Stationen außerhalb der Polarlichtzone. Der Name Kp bedeutet planetarische Kennziffer.

Die folgende Definition der Schwankungen von K stammt von Siebert (1971):

Variationen von K sind alle irregulären Störungen des geomagnetischen Felds, welche von solarer Partikelstrahlung innerhalb eines Dreistundenintervals ausgelöst werden. Alle anderen regulären und irregulären Störungen sind keine K Schwankungen. Geomagnetische Aktivität beschreibt das Auftreten von K Variationen.

Der lokale Störungsgrad wird bestimmt indem die Amplitude der am stärksten gestörten horitalen Feldkomponente in Dreistundenintervallen (als Differenz zwischen dem größten und kleinsten Messwert) gemessen wird. Vorher muß jedoch der ruhige Tagesgang aus dem Magnetogramm herausgerechnet werden, was nur durch subjektive Verfahren möglich ist. Die Amplitude wird dann in einen lokalen K Index umgerechnet (der 1938 für das magnetische Observatorium Niemegk bei Potsdam eingeführt wurde), und der die Werte 0 bis 9 auf einer quasi-logarithmischen Skala annehmen kann. Diese Umrechnung ist stationsspezifisch um die Werte für die Häufigkeit des Auftretens von Störungen unterschiedlicher Stärke zu normalisieren. Trotzdem bleibt K ein lokaler Index, der die Störungen bei jedem einzelnen Observatorium beschreibt. Jedes Observatorium zeigt noch einen Jahresgang der Tagesschwankungen, der von der geographischen und geomagnetischen Lage abhängt. Julius Bartels erstellte Umrechnungstabellen um diese Effekte zu eliminieren. Mit Hilfe dieser Tabellen wird ein standardisierter Index Ks für jedes der 13 ausgewählten Observatorien auf einer Skala in Dritteln erzeugt (28 Werte):

 

0o, 0+, 1-, 1o, 1+, 2-, 2o, 2+, ... , 8o, 8+, 9-, 9o

 

Die standardisierten Ks Kennziffer dient als Basis für den globalen geomagnetischen Kp Index, der sich als Mittelwert aus der Anzahl der ursprünglich 11 “Kp Stationen” berechnet. Heute werden daher die Ks Werte der beiden Stationen Brorfelde und Lovö, sowie auch Eyrwell und Canberra kombiniert, so dass ihr Mittelwert in die endgültige Kp-Berechnung eingeht und der Divisor dafür bei 11 bleibt.

Kp wurde als magnetischer Index 1949 von Bartels eingeführt. K und Kp wurden 1951 von der International Association for Terrestrial Magnetism and Electricity (IATME, die später zur International Association for Geomagnetism and Aeronomy, IAGA, wurde) offiziell anerkannt und die Zeitreihe der Kp Werte wurde in den folgenden Jahren bis 1932 zurück berechnet.

Bartels führte ein Diagramm für die Präsentation der planetarischen Kennziffer ein, welches an musikalische Notenschrift erinnert und daher auch Musikdiagramm bezeichnet wird. Dieses stellt die Kp Werte quantitativ dar. Es ermöglicht durch die Länge und Breite der Symbole einen schnellen Überblick über die magnetische Aktivität. Durch die zeitliche Anordnung nach Sonnenrotationen sind wiederkehrende Störungen gut erkennbar. Die Legende des Musikdiagramms ist wie folgt:

Kp wurde von 1949 bis 1996 am Institut für Geophysik der Universität Göttingen bestimmt. Seit 1997 werden Kp und weitere zugehörige Kennziffern am Adolf Schmidt Observatorium für Erdmagnetismus in Niemegk des Helmholtz-Zentrums Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ berechnet. Kp sowie die verwandten Indizes (ap, Ap, Cp) findet breite Verwendung in ionosphärischen und magnetosphärischen Studien und werden als Kennziffern angesehen, welche die weltweite geomagnetische Aktivität beschreiben.

Die Beibehaltung dieser ursprünglichen, offiziellen IAGA Indizes und die Bedeutung der geomagnetischen Aktivitätskennzahlen für die Beschreibung und Vorhersage eines weiten Spektrums von geomagnetischen Phänomenen manifestieren die IAGA-Resolutionen Nr. 5 und Nr. 6 von 1997.

Julius Bartels wurde am 17. August 1899 in Magdeburg geboren. Er studierte Mathematik, Physik und Geografie in Berlin und Göttingen. Im Anschluß an seine Promotion 1923, arbeitete er mit Adolf Schmidt am Geomagnetischen Observatorium in Potsdam. In seinen frühen Arbeiten befasste er sich mit statistischen Methoden, speziell der athmosphärischen, geomagnetischen und der ionosphärischen Gezeiten.

1928 wurde Bartels Professor in Eberswalde; 1936 wurde er Direktor des Geophysikalischen Instituts in Potsdam und ordentlicher Professor an der Berliner Universität. Zwischen 1931 und 1940 arbeitete er auch für längere Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Erdmagnetismus an der Carnegie Institution (Washington DC, USA). 1946 wurde er Professor in Göttingen und außerdem von 1955 bis 1964 Direktor des Instituts für Physik der Stratosphäre des Max-Planck-Instituts für Aeronomie in Katlenburg-Lindau (heute: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung).

1940 veröffentlichte Bartels und sein Freund S. Chapman die Monographie Geomagnetismus, die heute zu den Standardwerken der Geophysik zählt. In einer Vielzahl von Publikationen entwickelte, gebrauchte und perfektionierte er statistische Methoden. Mit diesen war es ihm einerseits möglich, viele breit akzeptierte geophysikalische Modelle zu widerlegen, andererseits viele brauchbare und leicht handhabbare geophysikalischen Indizes zu entwickeln. Darunter auch der weithin akzeptierte und gut bekannte planetarische geomagnetische Kp-Index.

Indem er die regelmäßigen Schwankungen des Magnetfeldes der Erde herausfilterte, zeigte er die Auswirkungen der solaren Wellen- und Teilchenstrahlung. Er erkannte, dass die Interpretation dieser Idee in konkreten Zahlen, ein leistungsfähiges Werkzeug für Wissenschaftler in der Erforschung der solar-terrestrischen Beziehungen schaffen würde. Bartels wußte auch, dass man seine Kp-Tabellen nur akzeptieren würde, wenn sie in einer übersichtlichen und klaren Art und Weise präsentiert werden. Der durchschlagende Erfolg der dreistündigen geomagnetischen Indizes Kp, beruht auch aufgrund ihrer brillanten Darstellung in den sogenannten Musikdiagrammen.

Nur mit geomagnetischen Daten und statistischen Methoden postulierte er die Existenz von M-Regionen auf der Sonne, die für die geomagnetischen Aktivitäten verantwortlich sind. Erst die Skylab-Mission (US Raumstation) 1973, lieferte Beobachtungsdaten von koronalen Löchern. Die M-Regionen wurden als koronale Löcher identifiziert, die die Ursprünge der schnellen Sonnenwinde sind und geomagnetishe Aktivität verstärken.

Julius Bartels war einer der Initiatoren des Internationalen Geophysikalischen Jahres (IGY, 1957). Er starb am 6. März 1964 und trug viel zur Reputation der Geophysik weltweit bei.

Die Sektion "Solar-Terrestrial Sciences" der Europäischen Geophysikalischen Gesellschaft (EGS) stiftete die Julius Bartels-Medaille in Anerkennung der wissenschaftlichen Leistung von Julius Bartels. Sie wird für herausragende Forschung in den solar-terrestrischen Wissenschaften vergeben.


Biographische Informationen aus:  W. Dieminger, Julius Bartels (Nachruf), in Mitteilungen aus der Max-Planck-Gesellschaft 1-2, München 1964, and W. Kertz, Einführung in die Geophysik II, Mannheim 1971. 

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Als Mitglied des "International Service of Geomagnetic Indices", stellt das Adolf-Schmidt-Observatorium Niemegk historische und aktuelle Kp-Index-Daten, sowie deren abgeleitete Indizes per anonymen FTP-Download zur Verfügung:

   ftp://ftp.gfz-potsdam.de/pub/home/obs/kp-ap/

Bitte beachten Sie, dass der Zugang limitiert ist und versuchen Sie es zu einem späteren Zeitpunkt nochmal, falls der Zugriff verweigert wurde.

Das Kp-ap Verzeichnis enthält:

  • readme.txt: ASCII Textdatei, Kopie der README-Datei von der Haupt-Webseite der Geomagnetischen Indizes
  • music.exe: Ausführbares Windows-Programm für PCs (386er oder höher). Liest Kp/ap-Werte im WDC-Format und erzeugt daraus Postscript- (PS) Dateien mit Kp-Index-Diagrammen. Bitte beim herunterladen den Binärmodus wählen. Dieses Programm benötigt die Datei ssc.dat.
  • ssc.dat: ASCII Datendatei, Liste des ersten Auftretens von Sturmereignissen (List of (storm) sudden commencement). Aktuelle Einträge sind vorläufig.
  • tab/: Unterverzeichnis, enthält monatliche Kp/ap-Tabellen im ASCII-Text-Format und als Postscript-Datei. Die Datei tab_fmt.doc enthält die Formatbeschreibung. Diese Tabellen werden als Postscript-Datei auch per E-Mail verteilt
  • wdc/Unter- verzeichnis: enthält monatliche, bzw. jährliche, Kp/ap-Tabellen und weitere Informationen im verdichteten WDC-Format. Dieses Format ist annähernd identisch mit dem Format, das vom Welt-Datenzentrum für Solar-terrestrische-Physik (World Data Center A for Solar-Terrestrial Physics) verteilt wird. Die Datei wdc_fmt.doc enthält eine Formatbeschreibung. Dieses Format enthält keine Informationen zu ruhigen und stürmischen Tagen, wie sie im tab-Unterverzeichnis zu finden sind.
  • music/: Unterverzeichnis, enthält Kp-Index-Diagramme im Postscript-Format, das den Kp-Index anschaulich visualisiert
  • quietdst/: Unterverzeichnis, enthält Tabellen für fast alle ruhigen und stürmischen Tage (Q/D days) aller Monate seit 1932
  •  kp-freq/: Unterverzeichnis, enthält Tabellen von Frequenzen der Kp-Indizes
  • ap_monyr.ave: ASCII-Textdatei, Tabelle mit monatlichen und jährlichen Werten von Ap

Die folgende Liste enthält die Observatorien, die die offiziellen Daten für den Kp-Index erheben, sowie dessen abgeleiteten ap-Index. Die Reihenfolge der Observatorien ist nach der geografischen Breite sortiert, beginnend mit dem nördlichsten.

#CodeNameLandAktivitätLatLongK=9 (nT)
1LERLerwickSchottland1932-heute60°08'358°49'1000
2MEAMeanookKanada1932-heute 54°37'246°40'1500
3SITSitkaAlaska1932-heute57°03'224°40'1000
4ESKEskdalemuirSchottland1932-heute55°19'356°48'750
5LOVLovöSchweden1954-200459°21'17°50'600
UPSUppsalaSchweden2004-heute59°54'17°21'600
6AGNAgincourtKanada1932-196943°47'280°44'600
OTTOttawaKanada1969-heute45°24'284°27'750
7RSVRude SkovDänemark1932-198455°51'12°27'600
BFEBrorfeldeDänemark1984-heute55°37'11°40'600
8ABNAbingerEngland1932-195751°11'359°37'500
HADHartlandEngland1957-heute50°58'355°31'500
9WNGWingstDeutschland1938-heute53°45'9°04'500
10WITWitteveenNiederlande1932-198852°49'6°40'500
NGKNiemegkDeutschland 1988-heute52°04'12°41'500
11CLHCheltenhamUSA1932-195738°42'283°12'500
FRDFredericksburgUSA1957-heute38°12'282°38'500
12TOOToolangiAustralien1972-1981-37°32'145°28'500
CNBCanberraAustralien1981-heute-35°18'149°00'450
13AMLAmberleyNeuseeland1932-1978-43°09'172°43'500
EYREyrewellNeuseeland1978-heute-43°25'172°21'500

*) Nach dem IGRF-Modell "IGRF 10th generation (revised 2005)" und http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html

 

 

Von K zu Ks

An den einzelnen Observatorien gibt es einen ausgeprägten Tagesgang des K-Index, mit erheblich mehr gestörten Intervallen nahe 0 Uhr Lokalzeit im Vergleich zu den Mittagsstunden. Dieser Tagesgang variiert auch saisonal und ist ebenso abhängig von der geografischen Breite. Eine einfache Mittelwertbildung des Logarithmus der Aktivität wird daher als nicht sauber erachtet, da die Observatorien nicht dicht und gleichmäßig über die Welt verteilt sind. Um diese Unsauberkeit zu korrigieren, entwickelte Julius Bartels ein standardisiertes Verfahren. Er überführte  jeden K-Wert in einen vereinheitlichten alternativen, mit Ks gekennzeichneten Wert, der wesentlich genauer ist, da er in Dritteln angegeben wird.

Die vorliegenden Umrechnungstabellen für drei Jahreszeiten wurden mit ausgewählten Daten von 1943 bis 1948 (außer Niemegk) erstellt. Die drei Jahreszeiten sind:

JFND

Die Monate um die Wintersonnenwende: Januar, Februar, November und Dezember.

MASO

Die Monate um die Tagundnachtgleichen: März, April, September und Oktober.

MJJA

Die Monate um die Sommersonnenwende: Mai, Juni, Juli und August.

 

Umrechnungstabellen

MEA Meanook

SIT Sitka

LER Lerwick

ESK Eskdalemuir

UPS Uppsala

LOV Lovö

BFE Brorfelde

RSV Rude Skov

WNG Wingst

WIT Witteveen

HAD Hartland

ABN Abinger

OTT Ottawa

AGN Agincourt

FRD Fredericksburg

CLH Cheltenham

EYR Eyrewell

AML Amberley

CNB Canberra

TOO Toolangi

NGK Niemegk

Der geomagnetische ap Index

Der dreistündige ap Index  und die täglichen Indizes Ap, Cp und C9 sind direkt mit dem Kp Index verwandt. Um den Kp Index auf einer linearen Skala darzustellen, nahm J. Bartels die folgende Tabelle, um einen dreistündigen äquivalenten Bereich, ap genannt, abzuleiten.

Diese Tabelle wird so erstellt, dass an einer Station auf etwa 50 Grad Dipolbreite, ap als der Bereich der am meisten gestörten der beiden horizontalen Feldkomponenten angesehen werden kann, dargestellt in 2nT Einheiten.

Der geomagnetische Ap Index

Der tägliche Ap Index ist der Durchschnittswert der acht ap Werte eines Tages.

Der geomagnetische Cp Index

Um den etwas subjectiven Ci Index zu ersetzen, wurde der Cp Index entwickelt, die tägliche planetarische Kennzahl. Cp ist eine qualitative Abschätzung des Gesamtniveaus der magnetischen Tagesaktivität, abgeleitet aus der Summe der acht ap-Amplituden des betreffenden Tages. Cp variiert in zehntel Schritten von 0 (ruhig) bis 2,5 (stürmisch) und ist nach der folgenden Tabelle definiert:

Der geomagnetische C9 Index

Der C9 Index wurde entwickelt, um die magnetische Aktivität auf Basis des Cp Index auszudrücken. Er überführt die Skale des Cp Index (0 - 2,5) auf eine Skala von 0 bis 9 und ist nach folgende Tabelle definiert:

 

Die ruhigen (Q) und gestörten (D) Tage

Klassifikation der Q und D Tage

Die Bestimmung der ruhigsten Tage (Q, von engl. "quiet") und der stürmischten Tage (D, von engl. "disturbed") eines jeden Monats basiert auf dem Kp-Index und wird anhand dreier Bewertungskriterien für jeden Tag ermittelt:

  1. Die Summe aller acht Kp-Werte für einen Tag
  2. Die Summe der Quadrate dieser Kp-Werte
  3. Den Maximalwert der acht Kp-Werte

Jedem Tag wird für jedes dieser Kriterien eine Ordnungszahl zugewiesen. Diese drei Ordnungszahlen werden gemittelt und die fünf (bzw. 10) Tage mit den niedrigsten Werten als die ruhigsten Tage, sowie die fünf Tage mit den höchsten Mittelwerte als die stürmischsten Tage bestimmt.

Verfeinerte Klassifikation

Die obige Einteilung erlaubt jedoch nur eine relative Klassifizierung innerhalb des jeweiligen Monats. Wenn der allgemeine Sturmpegel zwischen den einzelnen Jahren, bzw. den Monaten, sehr variiert, können die so bezeichneten stürmische Tage durchaus Tage mit wenig geomagnetischer Aktivität sein, oder die ruhigen Tage tatsächlich stürmisch sein.

Um diese Situation zu kennzeichnen, werden ausgesuchte Tage, die nicht den absoluten Kriterien genügen, wie folgt markiert:

  • ein ausgesuchter ruhiger Tag wird als nicht wirklich ruhig erachtet und mit dem Buchstaben A markiert, wenn Ap größer als 6 ist, oder mit dem Buchstaben K, wenn Ap kleiner oder gleich 6 ist, aber einen Kp-Wert größer als 3, oder 2 größer als 2+ enthält.
  • ein ausgewählter stürmischer Tag, der als nicht wirklich stürmisch erachtet wird, wird mit einem Stern (*) markiert, wenn Ap kleiner 20 ist.

Die ruhigen (Q) und gestörten (D) Tage:

  • aktuelle Q/D-Tage, Text-Datei, html-Datei
  • Archiv der Q/D Tage:
    • 2000 - 2009, Text-Datei, html-Datei
    • 1990 - 1999, Text-Datei, html-Datei
    • 1980 - 1989, Text-Datei, html-Datei
    • 1970 - 1979, Text-Datei, html-Datei
    • 1960 - 1969, Text-Datei, html-Datei
    • 1950 - 1959, Text-Datei, html-Datei
    • 1940 - 1949, Text-Datei, html-Datei
    • 1932 - 1939, Text-Datei, html-Datei
  • J. Bartels, The technique of scaling indices K and Q of geomagnetic activity, Ann. Intern. Geophys. Year 4, 215-226, 1957;
  • J. Bartels,The geomagnetic measures for the time-variations of solar corpuscular radiation, described for use in correlation studies in other geophysical fields, Ann. Intern. Geophys. Year 4, 227-236, 1957;
  • M. Siebert, Maßzahlen der erdmagnetischen Aktivität, in Handbuch der Physik, vol. 49/3, 206-275, Springer, Berlin Heidelberg, 1971; for the description of several indices (in German);
  • M. Siebert and J. Meyer, Geomagnetic Activity Indices, in The Upper Atmosphere (Eds. W. Dieminger et al.), 887-911, Springer, Berlin Heidelberg, 1996; for an updated version of the German reference;
  • P.N. Mayaud, Derivation, Meaning and Use of Geomagnetic Indices, Geophysical Monograph 22, Am. Geophys. Union, Washington D.C., 1980; for a complete review of the present IAGA indices;
  • G.K. Rangarajan, Indices of magnetic activity, in Geomagnetism, edited by I.A. Jacobs, Academic, San Diego, 1989;
  • M. Menvielle and A. Berthelier, The K-derived planetary indices: description and availability, Rev. Geophys. 29, 3, 415-432, 1991.

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