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PLASMEN
Der Klang der Saturnringe
Redaktion / Pressemitteilung der Ruhr-Universität Bochum
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22. Oktober 2012

In staubigen Plasmen spielen sich mitunter erstaunliche Dinge ab: Dank ihrer sehr speziellen Eigenschaften können sich in ihnen spontan Schallwellen ausbreiten. Zwei Physiker der Ruhr-Universität Bochum haben nun ein Modell entwickelt, das die Entstehung bestimmter Schallwellen erklärt. Staubige Plasmen kommen beispielsweise auch in den Saturnringen vor.

Saturn

Auch in den Saturnringen gibt es staubige Plasmen. Bild: NASA / JPL / Space Science Institute [Großansicht als Bild des Tages]

Staubige Plasmen findet man im Weltall an ganz verschiedenen Orten: Sie kommen unter anderem in den Saturnringen vor. Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften können sich in ihnen spontan Schallwellen ausbreiten, so wie in der Luft. Prof. Dr. Dr. h.c. Padma Kant Shukla und Dr. Bengt Eliasson von der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben nun ein Modell entwickelt, das erklären kann, wie nichtlineare Schallwellen in staubigen Plasmen entstehen. Die Wissenschaftler berichteten darüber in einem Fachartikel in der Zeitschrift Physical Review E.

Staubige Plasmen bestehen üblicherweise aus Elektronen, positiv geladenen Ionen, neutralen Atomen und Staubkörnchen, die negativ oder positiv geladen sind. Nur in Plasmen mit solchen Staubkörnern können Schallwellen entstehen - die sogenannten Staub-Schallwellen. Die Trägheit der massereichen Staubkörner ist für ihre Entstehung entscheidend. Der Druck der heißen Elektronen und Ionen des Plasmas liefert die Rückstellkraft, die die Plasmateilchen in Schwingungen versetzt und dafür sorgt, dass sich die Schallwelle ausbreitet.

In mehreren Experimenten wurden in letzter Zeit das Vorkommen von nichtlinearen akustischen Wellen mit extrem großen Amplituden in staubigen Plasmen nachgewiesen. Es handelte sich dabei um einzelne akustische Pulse und Stoßwellen. Die neue Theorie von Shukla und Eliasson beschreibt, unter welchen Umständen nichtlineare Stoßwellen und Pulse in staubigen Plasmen auftreten.

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Entscheidend ist, dass Staub-Schallwellen mit großen Amplituden miteinander interagieren. Dabei entstehen neue Wellen mit neuen Frequenzen. Durch die Entstehung von Harmonischen, also Wellen mit Frequenzen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Ausgangsfrequenz sind, und durch konstruktive Interferenz können sich die Wellen zu einzelnen Pulsen ("Spikes") entwickeln oder aber zu Stoßwellen.

Die Einzelpulse treten auf, wenn Nichtlinearitäten bei der Entstehung der Harmonischen mit der Zerstreuung der Welle im Lauf der Zeit zusammenspielen. Stoßwellen bilden sich hingegen, wenn die Zähflüssigkeit des Staubs stärker ist als die Zerstreuung der Welle. Das passiert bei hohen Staubdichten, wenn die Staubpartikel so nah zusammenkommen, dass sie interagieren und mit Nachbarpartikeln kollidieren.

Die neue Shukla-Eliasson-Theorie erklärt die Beobachtungen aus Experimenten von drei verschiedenen Arbeitsgruppen in den USA, in Taiwan und in Indien. Die Forscher hatten die Existenz von Einzelpulsen und Stoßwellen mit großen Amplituden bei Entladungen von Tieftemperaturplasmen beschrieben. Mit dem neuen Modell lässt sich nun aus der Weite der Stoßwellen die Zähflüssigkeit des Staubes bestimmen. "Unsere Ergebnisse sind auch wichtig, um den möglichen Mechanismus zu verstehen, der der Clusterbildung von Staubkörnern in Planeten und Regionen sich bildender Sterne zugrunde liegt", so Shukla.

Die Existenz von Schallwellen in staubigen Plasmen wurde von Shukla bereits vor über zwei Jahrzehnten theoretisch vorhergesagt. Viele Laborexperimente haben dies seitdem bestätigt. Die Entdeckung der Schallwellen hat die Plasmaphysik verändert und ein neues interdisziplinäres Forschungsfeld eröffnet, das Astrophysik und die Physik der kondensierten Materie verbindet.

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siehe auch
Plasmaphysik: Plasma der Sonne im Labor - 20. August 2012
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