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KOSMISCHE STRAHLUNG
Turbulenzen im Sonnenwind
Redaktion / Pressemitteilung des Ruhr-Universität Bochum
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25. Februar 2009

Vor über 30 Jahren wurden im Rahmen der Voyager-Mission Partikel im Sonnenwind entdeckt, die deutlich heißer waren als man es nach den bekannten Modellen erwarten würde. Mit einem neuen Computermodell konnten Wissenschaftler aus Bochum und Huntsville diesen Befund nun erklären: Das Plasma des Sonnenwinds verhält sich offenbar deutlich anderes als Flüssigkeiten oder Gase.

Voyager

Das neue Modell könnte die Messungen von Voyager erklären.  Bild: NASA/JPL

Mit einem neuen 3D-Modell zur Energiesimulation sind Wissenschaftler aus Bochum und dem amerikanischen Huntsville dabei, hinter das Geheimnis einer unerwarteten Beobachtung der Voyager-Sonden zu kommen. Bereits vor über 30 Jahren entdeckte man nämlich, dass Partikel in kleinen Wirbeln der Sonnenwinde "heißer" waren, als sie nach der seit 1941 bestehenden Theorie des Mathematikers Andrei Nikolajewitsch Kolmogorow hätten sein dürfen. Jetzt konnten der Bochumer Plasmaphysiker Prof. Dr. Padma Kant Shukla und Dr. Dastgeer Shaikh von der University of Alabama erstmals durch Computersimulationen nachweisen, dass sich Turbulenzen im Plasma der Sonnenwinde offenbar deutlich anderes verhalten, also es bekannte Modell für dynamische Flüssigkeiten und Gase vorhersagen. Über ihre Ergebnisse berichteten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Nach Kolmogorows Theorie besteht ein Zusammenhang zwischen der Größe von Windwirbeln und der Menge der Energie, die von den heißen Solarpartikeln abgegeben wird. Je kleiner ein Wirbel wird, desto stärker wirken er und seine Umgebung aufeinander ein, und desto größer wird der Verlust an Energie. Zu beobachten ist das zum Beispiel an den Strudeln, die eine Brücke verursacht, deren Pfeiler in einem Fluss stehen. Die Energie der Strudel wird nur an den Rändern abgegeben, wo die kleinsten Wirbel und das ruhig fließende Wasser aufeinander einwirken. Kolmogorow fand eine Gesetzmäßigkeit zwischen der Wirbelgröße und der freigesetzten Energie: In einer dynamischen Flüssigkeit sollte sich die Menge der freigesetzten Energie um den Faktor x hoch 5/3 erhöhen, wenn sich die Größe eines Wirbels um einen Faktor x verringert.

Beobachtungen von Voyager - aber auch von anderen Raumschiffen und Satelliten - zeigten aber, dass der Energiefluss im Plasma nicht dem so genannten 5/3-Gesetz von Kolmogorow folgt, sondern eher einem 7/3-Gesetz. Das dynamische Spektrum der Wellenlängen in einem Plasma ist damit wesentlich größer als in anderen hydrodynamischen Systemen. Das bedeutet, dass sich die Leistungsfähigkeit der Energieübertragung zwischen den im Sonnenwind befindlichen heißen Partikeln und kühleren Teilchen um 40 Prozent erhöht.

Das Computer-Modell, das Shukla und Shaikh entwickelten, erklärt diesen plötzlichen Anstieg mit der Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und den nach außen fließenden Strömen aus heißen Atomen, Ionen und Elektronen. Das Magnetfeld ist verantwortlich für Energiekaskaden. Beeinflusst und "gedrängt" von Magnetfeldern, dienen die kleinen Wirbel zur "Dämpfung" der in ihnen befindlichen Energie.

"Dasselbe geschieht auch in einem Mikrowellenherd", vergleicht Shaikh. "Wenn sich in diesem Gerät nichts befindet, treten die Mikrowellen aus, ohne ihre Energie abzugeben. Doch die Wellen werden in den aufzuwärmenden Lebensmitteln absorbiert, und hierdurch wird die Energie abgegeben, die die Speisen erhitzt."

Die Entwicklung der beiden Wissenschaftler hilft zu verstehen, wie die Partikel in den Sonnenwinden enorme Mengen an Energie erhalten. "Damit könnten wir eine Antwort auf die Frage finden, wo die schnellsten und leistungsfähigsten kosmischen Strahlen mit Energie aufgeladen werden," so Shukla. Unter kosmischer Strahlung verstehen die Forscher hochenergetische Partikel, die beispielsweise auch von der Sonne ins All geblasen werden. Seit Jahrzehnten versucht man herauszufinden, durch welche Prozesse einige der Partikel der kosmischen Strahlung nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können.

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siehe auch
Magnetfelder: Kosmischen Magnetfeldern auf der Spur - 3. November 2008
Sonnenwind: Sorgte schlechtes Weltraumwetter für Tod der Dinosaurier? - 5. Juni 2002
Links im WWW
Ruhr-Universität Bochum
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