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SONNE
Die Energieverteilung im Sonnenwind
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Ruhr-Universität Bochum
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15. November 2011

Von der Sonne bläst ein ständiger Partikelstrom ins All, der sogenannte Sonnenwind. Sein Einfluss ist im gesamten Planetensystem zu spüren, viele seiner Eigenschaften aber stellen die Wissenschaftler bis heute vor Rätsel. Mit einem neuen Modell könnte es Bochumer Forschern nun gelungen sein, gleich zwei Geheimnissen des Sonnenwinds auf die Spur zu kommen.

Sonnenwind

Trägt man die Messwerte des Sonnenwinds für das Plasmabeta (x-Achse) und die Anisotropie der Temperatur (y-Achse) in ein Diagramm ein, ergibt sich eine typische Rautenform. Bild: idw / Physical Review Letters /  American Physical Society

Warum die Temperaturen im Sonnenwind in bestimmten Richtungen nahezu gleich und wieso verschiedene Energiedichten beinahe identisch sind, war den Wissenschaftlern bislang ein Rätsel. Mit einem neuen Ansatz zur Berechnung von Instabilitätskriterien für Plasmen könnten Bochumer Forscher um Prof. Dr. Reinhard Schlickeiser vom Lehrstuhl für Theoretische Physik IV nun beide Probleme gelöst haben.

Sie bezogen dazu erstmals die Effekte von Zusammenstößen der Sonnenwindteilchen in ihr Modell mit ein. Auf diese Weise konnten sie experimentelle Daten wesentlich besser erklären, als es mit früheren Rechnungen möglich war. Die Resultate, die die Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten, sollten sich auch auf kosmische Plasmen außerhalb des Sonnensystems übertragen lassen.

Der Sonnenwind besteht aus geladenen Teilchen und ist von einem Magnetfeld durchsetzt. Bei der Analyse dieses sogenannten Plasmas untersuchen Forscher zwei Arten von Drücken: Der magnetische Druck beschreibt die Tendenz der Magnetfeldlinien, sich gegenseitig abzustoßen, der kinetische Druck resultiert aus dem Impuls, also der Bewegung, der Teilchen. Das Verhältnis von kinetischem zu magnetischem Druck nennen die Wissenschaftler Plasmabeta und es ist ein Maß dafür, ob mehr Energie pro Volumen in Magnetfeldern oder in der Teilchenbewegung gespeichert ist.

In vielen kosmischen Quellen liegt das Plasmabeta um den Wert eins, was gleichbedeutend mit der Gleichverteilung der Energie ist. Zudem herrscht in kosmischen Plasmen nahezu Temperaturisotropie, die Temperatur ist also in paralleler und senkrechter Richtung zu den Magnetfeldlinien des Plasmas gleich.

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Über zehn Jahre lang sammelten die Instrumente des amerikanischen Satelliten WIND die unterschiedlichsten Daten über den Sonnenwind. Trägt man die gemessenen Plasmabeta gegen die Temperaturanisotropie (das Verhältnis von senkrechter zu paralleler Temperatur) auf, fallen die Messpunkte in einen rautenförmigen Bereich um den Wert eins. "Wenn sich die Werte aus der Rautenkonfiguration herausbewegen, ist das Plasma instabil und die Temperaturanisotropie und das Plasmabeta landen schnell wieder in dem stabilen Bereich innerhalb der Raute", erläutert Schlickeiser. Eine konkrete, detaillierte Erklärung dieser Rautenform fehlte aber bisher, vor allem für niedrige Plasmabeta.

In früheren Modellen ging man davon aus, dass die Sonnenwindteilchen aufgrund der niedrigen Dichte nicht direkt zusammenstoßen, sondern nur über elektromagnetische Felder wechselwirken. "Solche Annahmen sind allerdings für kleine Plasmabeta nicht mehr gerechtfertigt, da dann die Dämpfung aufgrund von Teilchenstößen berücksichtigt werden muss", erklärt der Physiker Michal Michno. Die Forscher bezogen nun diese zusätzliche Dämpfung in ihr Modell mit ein und erhielten auf diese Weise neue Rautengrenzen und damit neue Stabilitätsbedingungen.

Das neue Bochumer Modell erklärt die gemessenen Sonnenwinddaten wesentlich besser als frühere Theorien und ließe sich auch auf andere dünne kosmische Plasmen übertragen, da sie sehr ähnliche Dichten, Temperaturen und Magnetfeldstärken haben wie der Sonnenwind. Auch wenn das Diagramm aus Temperaturanisotropie und Plasmabeta für sie nicht exakt die Rautenform einnimmt, die die Forscher für den Sonnenwind fanden, sagt der neu gefundene Mechanismus voraus, dass die Werte immer nahe um eins liegen. Damit könnte ihre Theorie, so die Forscher, auch einen wichtigen Beitrag zur Erklärung der Energiegleichverteilung in kosmischen Plasmen außerhalb des Sonnensystems leisten.

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siehe auch
Kosmische Strahlung: Turbulenzen im Sonnenwind - 25. Februar 2009
Magnetfelder: Kosmischen Magnetfeldern auf der Spur - 3. November 2008
Links im WWW
Ruhr-Universität Bochum
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