Sonnenwind als Turbulenz-Labor
Turbulenzen im Sonnenwind treten auf sehr unterschiedlichen Skalen auf: sie können so groß sein wie ein Planet oder so klein wie ein subatomares Teilchen. Dieses hochdynamische System zu verstehen, wird durch die Effekte der Geschwindigkeitsabscherung zwischen schnellen und langsamen Sonnenwindströmen, durch die sphärische Ausdehnung des Sonnenwindes und durch seine Kompressibilität verkompliziert. Durch die Kombination von in-situ-Beobachtungen mit theoretischen Ansätzen, untersuchte das Projekt TURBOPLASMAS (Turbulent phenomena in space plasmas: Boosting observations, data analysis and numerical simulations) Turbulenzen in bisher unerreichter Genauigkeit. Das Projekt umfasste einen Austausch von Forschungsmitarbeitern zwischen den sechs teilnehmenden Institutionen, was Zusammenarbeit und Synergien verstärkte. Obwohl man erwarten würde, dass Sonnenwind abkühlt, wenn er sich von der Sonne entfernt und den interplanetaren Raum kreuzt, haben Satellitenbeobachtungen gezeigt, dass dies nicht der Fall ist: er wärmt sich auf dem Weg auf. Obwohl Beobachtungen auch erhebliche Mengen an Turbulenz im Sonnenwind zeigen, wurde vermutet, dass eine Kaskade von Turbulenzen einer kleineren Größenordnung die Wärme erzeugt. Vor TURBOPLASMAS war es nicht möglich, die Verlustprozesse bei Ionenskalen zu identifizieren, welche die Kaskade beenden. Hochauflösende Satellitenbeobachtungen und numerische Simulationen wurden verglichen, um die Interpretation von Signaturen kohärenter Strukturen wie Stromschichten sowie magnetischen Strukturen wie Aufheizungsstellen im Sonnenwind zu erleichtern. Die Projektmitglieder entwickelten theoretische Modelle, um die Auswirkungen von Kollisionen zwischen den konstituierenden Teilchen des Windes zu studieren und die physikalischen Mechanismen zu verstehen, die zur Erwärmung der Partikelpopulationen führen. Es stellte sich heraus, dass magnetische Rekonnexion, also der Prozess, mit dem sich Magnetfelder verbinden und wieder trennen, während große Mengen an Energie freigesetzt werden, lokal als normales Merkmal von Turbulenz auftritt. Weitere wichtige Ergebnisse umfassen die erstmalige Beschreibung von Eigenschaften von Sonnenwinddichteschwankungen im kleinen Maßstab, die Aufnahme von Alpha-Teilchen in kinetische numerische Simulationen von Turbulenzen in Plasmen und die Definition von räumlichen und zeitlichen relevanten Skalen in Sonnenwindturbulenzen. Das Projekt verglich auch experimentelle und theoretische Aspekte von Turbulenz in Weltraum- und Laborplasmen. Plasmaturbulenz stellt ein großes Hindernis für das Erreichen eines effizienten Fusionsreaktors dar, in dem leichte Atomkerne miteinander verschmelzen und so Energie erzeugen. Insgesamt 106 wissenschaftliche Artikel wurden bereits veröffentlicht, darunter elf Übersichtsartikel und zwei Sonderhefte. Die erzielten Ergebnisse stellen eine wichtige Unterstützung für die nächste Generation von wissenschaftlichen Raumfahrtmissionen dar, und haben ein transnationales Netzwerk von Kooperationen zwischen Wissenschaftlern von Institutionen, die auf dem Gebiet forschen, gestärkt.
Schlüsselbegriffe
Sonnenwind, Turbulenz, TURBOPLASMAS, Raumplasmen, Satellitenbeobachtungen
