Von „makro“ zu „mikro“ - Turbulenz aus der Sicht von Cluster

Micro turbulence seen by Cluster
10 August 2005

Aufgrund der Messungen der ESA-Mission Cluster konnte ein Team europäischer Wissenschaftler „Mikrowirbel“ in der Erdmagnetosphäre nachweisen.

Eine derartige Turbulenz durch kleine Wirbel, deren Existenz man anhand mathematischer Modelle vorhergesagt hatte, konnte noch nie zuvor im Weltraum beobachtet werden. Die Ergebnisse sind nicht nur für Weltraumphysiker, sondern auch für andere Anwendungen wie die Kernfusionsforschung von Belang.

Am 9. März 2002, als die vier Cluster-Satelliten ihre Entdeckung machten, überquerten Sie im Formationsflug mit 100 km Abstand zwischeneinander die nördliche „Cusp“. Cusp nennt man die Regionen über den Polen, wo die die Erde umgebenden Magnetfeldlinien trichterförmig zu den beiden Polen verlaufen.

Die Cusp sind die zwei wichtigen Regionen in der Erdmagnetosphäre, in welchen der Sonnenwind (ein konstanter, von der Sonne ausgehender Strom geladener Teilchen, der das gesamte Sonnensystem durchquert) direkt zur oberen Schicht der Erdatmosphäre (Ionosphäre) durchdringen kann.

Durch sie und andere „zugängliche“ Regionen können große Mengen Plasma (ein Gas geladener Teilchen) und Energie die Magnetosphäre durchdringen, die den natürlichen Schutzschild unserer Erde darstellt. Tatsächlich dringt weniger als ein Prozent der vom Sonnenwind mitgeführten und auf die Magnetosphäre stoßenden Gesamtenergie ein, doch auch diese Menge reicht aus, um irdische Systeme wie Nachrichtennetzwerke und Hochspannungsleitungen beträchtlich zu stören.

Das eindringende Solarmaterial verursacht Turbulenzen in dem die Erde umgebenden Plasma. Diese sind mit Wirbeln in Flüssigkeiten vergleichbar, aber weisen wesentlich komplexere Kräfte auf. Derartige Turbulenzen entstehen beispielsweise in den Übergangsbereichen zwischen Plasmaschichten mit unterschiedlicher Dichte und Temperatur. Wie sie zustande kommen, ist jedoch noch nicht ganz geklärt.

Sie treten in verschiedenen Ausmaßen von mehreren tausend bis zu wenigen Kilometern Durchmesser auf. 2004 nahmen die vier Cluster-Satelliten in situ Messungen vor und meldeten die Existenz einer großräumigen Turbulenz - Wirbel von bis zu 40.000 km Ausdehnung an der Flanke der so genannten Magnetopause (Grenzschicht zwischen der Magnetosphäre und dem interplanetarischen Raum). Die neuerliche Entdeckung von „Mikro“-Turbulenz mit Wirbeln von nur 100 km Durchmesser ist hingegen eine Premiere in der Erforschung der Plasmaschicht um die Erde.

Sie erlaubt es den Wissenschaftlern nun, Zusammenhänge zwischen kleinen und großen Turbulenzen herzustellen und Fragen über ihren Ursprung und Verbindungen zu stellen. So etwa: Welche Mechanismen führen zur Turbulenz und bedingen ihre Form? Wie stark tragen Wirbel zum Transport von Masse und Energie durch Grenzschichten bei? Sind kleine Wirbel die Grundlage für die Bildung großer Wirbel? Oder zerstreut sich möglicherweise die Energie großer Wirbel und wird zu einer Kaskade kleinerer Wirbel?

Während wir diesen Fragen nachgehen, revolutioniert Cluster unser Wissen über die Art und die Mechanismen, mittels welcher die Sonnenaktivität die Erde beeinflusst. Cluster ist ein bahnbrechendes Diagnosewerkzeug für die Erstellung der ersten dreidimensionalen Karte des erdnahen Weltraums. Seine Fähigkeit, zeitgleiche Beobachtungen durch mehrere Sonden anzustellen, macht es einzigartig.

Clusters Untersuchung der Turbulenz im Erdplasma bedeutet außerdem einen Fortschritt für die grundlegenden Plasmatheorien. Angesichts der hohen Energien, mit welchen wir es hier zu tun haben, ist dies nicht nur für die Astrophysik, sondern auch für den Umgang mit Plasma im Labor von Bedeutung, insbesondere für die Kernfusionsforschung.

Hinweis für die Herausgeber:

Diese Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 11. August des Wissenschaftsmagazins „Nature“ veröffentlicht. Die Autoren der Ergebnisse sind: D. Sundkvist (CNRS, Orleans, Frankreich/Swedish Institute of Space Physics, Uppsala, Schweden); V. Krasnoselskikh (CNRS, Orleans, Frankreich); P.K. Shukla (Institut für Theoretische Physik IV, Bochum, Deutschland); A. Vaivads, M. Andre, S. Buchert (Swedish Institute of Space Physics, Uppsala, Schweden); H. Reme (CESR, Toulouse, Frankreich).

Die Entdeckung der erwähnten Riesenwirbel wurde in der Nature-Ausgabe vom 12. August 2004 mit einem Artikel von H. Hasegawa, et al veröffentlicht.

Weitere Informationen:

David Sundkvist,
Hauptverfasser der Ergebnisse , Swedish Institute of Space Physics (IRF)3333 , Uppsala, Schweden
E-Mail: david.sundkvist@irfu.se

Philippe Escoubet,
ESA, Cluster-Projektwissenschaftler
E-Mail: philippe.escoubet @ esa.int

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