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SONNE
Mathematische Modelle der Magnetfelder

Redaktion
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22. Juni 2001

Die Aktivität unseres Zentralgestirn kann auch gravierende Auswirkungen auf das Leben auf der Erde haben. Eine Nachwuchsforschergruppe an der Ruhr-Universität in Bochum versucht daher, mit Hilfe mathematischer Modelle hinter die Funktionsweise der Magnetfelder zu kommen, die für die gewaltigen solaren Eruptionen verantwortlich gemacht werden. Erste Erfolge gibt es bereits.

Sonne
Unsere Sonne ist zur Zeit besonders aktiv. Foto: SOHO/EIT (ESA & NASA)

Wenn das Fernsehbild flimmert und die Telefonleitung gestört ist, muss nicht unbedingt die Technik versagt haben - gewaltige Energieausbrüche auf der Sonne, so genannte Solar Flares, könnten die Ursache dafür sein. Auf unserem Zentralgestirn entladen sich nämlich Magnetfelder, wobei soviel Energie freigesetzt wird wie bei der Detonation mehrerer Millionen Atombomben. Eine Nachwuchsforschergruppe der Ruhr-Universität in  Bochum (RUB), die seit 1998 von der Volkswagen-Stiftung gefördert wird, entwickelt am Computer mathematische Modelle, um die Funktionsweise der Magnetfelder zu beschreiben. Mit ersten Erfolgen: Ihr ist es bereits gelungen, einige der bisherigen Formeln zu verbessern.

Wo der Sonnenwind auf das Magnetfeld der Erde trifft, werden Teilchen beschleunigt, die wiederum in den Polarregionen zu den Nordlichtern und so genannten geomagnetischen Stürmen führen. Auch in entfernteren Objekten, wie zum Beispiel in Pulsaren, Galaxien und protogalaktischen Wolken, mehren sich die Hinweise, dass Magnetfelder nach der Gravitation den größten Einfluss haben auf die Selbstorganisation der Materie haben. Diesem Phänomen ist die Nachwuchsforschergruppe der RUB auf der Spur: Sie will die Funktionsweise dieser Magnetfelder untersuchen und damit einer der größten Kraftquellen des Universums eine höhere Aufmerksamkeit zukommen lassen.

Der Schlüssel dazu liegt in ionisierter Materie, dem Plasma, das es mit wenigen Ausnahmen überall im Universum gibt, wenn auch in sehr verschiedenen Zuständen - von extrem heißen und dichten Plasmen bis zu stark verdünnten, nur teilweise ionisierten Plasmen. Darin sind die Magnetfelder eingebettet. Eine Fluid-Theorie, die so genannte Magnetohydrodynamik, beschreibt das Plasma als ein elektrisch gut leitendes Fluid, also eine flüssigkeitsähnliche Substanz, in dem durch die Strömung magnetische Felder erzeugt werden können, die dann wiederum durch die so genannten Lorentz-Kräfte auf das Plasma rückwirken. Durch diese Wechselwirkung zwischen Plasma und Magnetfeld kann eine beeindruckende Vielfalt von Strukturen entstehen, die oft Verknotungen oder Verknüpfungen des magnetischen Flusses zeigen. Diese komplexen Feldstrukturen können enorme Mengen an Energie speichern.

Eine typische Eigenschaft astrophysikalischer Plasmen ist, dass die Dynamik dieser Strukturen aus einem Wechselspiel besteht von idealem Verhalten, bei dem sich das Plasma nur unter Erhaltung aller Verknüpfungen bewegt, und einer Art Aufreißen der magnetischen Struktur. Dabei bricht der magnetische Fluss auf und verbindet sich neu  - ein Prozess, der oft von dramatischen Eruptionen begleitet ist und der große Energiemengen freisetzen kann. Solche Vorgänge lassen sich sehr gut auf der Oberfläche unsere Sonne verfolgen, wie die jüngsten, beeindruckenden Beobachtungen durch die Satelliten Yohkoh, SOHO und TRACE zeigen. Sie spielen auch eine zentrale Rolle für die unmittelbare Umgebung der Erde.

In der Gruppe, die hinter das Geheimnis dieser Eruptionen kommen will, arbeiten junge Forscher interdisziplinär auf einem Gebiet zwischen Mathematik und Physik. Für die Bochumer Wissenschaftler scheint die Sonne allerdings im Computer. Im Gegensatz zu den klassischen Astronomen beobachten sie die Sonne nicht direkt. Ihre Aufgabe ist, mathematische Modelle zu entwickeln, mit deren Hilfe sich die Funktionsweise der Magnetfelder beschreiben lässt. Mit ersten Erfolgen: Den Forschern ist es bereits gelungen, einige der bisherigen Formeln zu verbessern. Die Nachwuchsgruppe will einen kompletten Satz an mathematischen Berechnungsgrößen entwickeln.

Mit ihrem Programm "Nachwuchsgruppen an Universitäten" gibt die Volkswagen-Stiftung jungen, herausragend qualifizierten Wissenschaftlern die Möglichkeit, frühzeitig eigenständige Forschung zu betreiben - auf vorwiegend neuen Gebieten, die zwischen den Disziplinen angesiedelt sind.

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