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Solar system plasma Turbulence: Observations, inteRmittency and Multifractals

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Turbulenzen im Sonnenwind und Planetenmagnetosphären

Die Details der Plasmaturbulenzen aufzudecken, hat sich als eine viel schwieriger Aufgabe erwiesen, als die Untersuchung von Turbulenz in Wasser und Luft. Aber die Studie von EU-finanzierten Wissenschaftlern wurde durch Satelliten, die als Weltraummikroskope dienten, deutlich erleichtert. 

Energie
Weltraum

Der Sonnenwind, der die Sonne in allen Richtungen mit einer Geschwindigkeit von mehr als 400 km / s verlässt, wird von der Magnetohydrodynamik im großen Maßstab beschrieben. Diese komplexe Beschreibung sollte kollektive und ableitende Verfahren umfassen, bei denen Energie von größeren auf kleineren Skalen übertragen wird. Wie sich Turbulenzen entwickeln und die Energiekaskade endet und wie die Energie zwischen größeren und kleineren Skalen aufgeteilt wird, waren noch offene Fragen, denen sich das EU-geförderte Projekt STORM (Solar system plasma turbulence: Observations, intermittency and multifractals) gewidmet hat. Die Antworten sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Prozesse der Teilchenbeschleunigung und Plasmaheizung in Sonnenkorona und Sonnenwind sowie anderen astrophysikalische Plasmen. Beobachtungen von europäischen Raumsonden wie Ulysses im Sonnenwind und Cluster und Venus Express in planetaren Plasmaumgebungen haben wertvolle Einblicke in die Schwankungen von Plasma und Feldern gebracht, die den turbulenten Zustand von ionisierter Materie im Sonnensystem beschreiben. STORM-Wissenschaftler verwendeten verschiedene Ansätze, um die Struktur und die Topologie dieser Schwankungen in verschiedenen Regionen des Sonnensystems zu analysieren. Neben dem Sonnenwind betrachteten sie Turbulenzen, die sich an der Grenzfläche der Magnetosphären von Venus, Erde und Saturn und dem Sonnenwind entwickeln. Messungen in hoher Zeitauflösung von Plasma und Magnetfeld von Cluster, Venus Express, Giotto und Cassini Satelliten boten die Möglichkeit, die kleinsten Skalen, die jemals im Sonnenwind, erkundet wurden, zu sondieren. Darüber hinaus basierten fortgeschrittene Modelle auf einem statistischen Ansatz, wie der (multi) fraktalen Geometrie, die auf kreative Weise getestet werden könnte, um neue Erkenntnisse in universelle Prozesse wie Turbulenz zu bringen. Eines der wichtigsten Ergebnisse des STORM-Projekts ist eine Softwarebibliothek für nichtlineare Datenanalyse, die Verfahren sammelt, mit denen sich die Struktur der Turbulenz zeigen lässt. Die Bibliothek umfasst Methoden für Analysen niedrigerer Ordnung, wie spektrale Leistungsdichte-Analyse, bis zu Analysen höherer Ordnung, wie Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktionen und Multifraktale Analyse. Es ist ein vielseitiges Werkzeug, das ein breites Spektrum von Satelliten- und synthetischen Daten aufnehmen kann. Das Datenanalyse-Tools kann kostenlos von der Projekt-Website heruntergeladen und verwendet werden, um Zeitreihen effektiv zu analysieren, die entweder von STORM-Datenbanken oder von anderen vergangenen, laufenden und auch zukünftigen Weltraummissionen zur Verfügung gestellt werden. Wissenschaftliche Ergebnisse, die während STORM erhalten wurden, haben zu einem vollständigeren Bild von Turbulenzen in Plasmen des Sonnensystems beigetragen. Alle neuen Informationen zu Turbulenzen im Sonnenwind und Planetenmagnetosphären werden neuartige Sichtweisen auf gesellschaftliche Herausforderungen wie das Weltraumwetter und / oder das instabile Verhalten von Plasmen in Fusionskraftwerken eröffnen.

Schlüsselbegriffe

Turbulenz, Sonnenwind, Plasmaturbulenz, Magnetohydrodynamik, STORM, Multifraktale  

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