Nichtlineare FLR und Hall MHD Kelvin-Helmholtz Instabilität

Der Sonnenwind trifft auf unterschiedliche Hindernisse auf seinem Weg durch unser Sonnensystem. Eine Art solcher Hindernisse sind Planeten, die kein (starkes) eigenes Magnetfeld besitzen, aber Atmosphären und Ionosphären, bzw. ein "induziertes Magnetfeld" aufgrund der Wechselwirkung mit dem Sonnenwind. Venus und Mars sind solche Planeten. Die Wechselwirkung des Sonnenwindes mit einem Planeten ohne eigenem Magnetfeld ruft verschiedene Plasmaprozesse in der Umgebung des Planeten hervor. So hat zum Beispiel die Raumsonde Pioneer Venus Orbiter wellenartige Unregelmäßigkeiten an der Tagseite der Ionopause und möglicherweise abgelöste Plasmastrukturen oberhalb der Ionopause beobachtet. Solche Beobachtungen haben zur Hypothese geführt, dass sich die Kelvin- Helmholtz Instabilität an der Grenzschicht zwischen Magentosheath und Ionosphäre ausbilden und eventuell zur Ablösung von sogenannten Plasmawolken, die ionosphärische Teilchen beinhalten, führen kann. Allgemein tritt die Kelvin-Helmholtz Instabilität an Grenzschichten zwischen zwei Plasmaschichten, die sich mit Relativgeschwindigkeit zueinander bewegen, auf. Kleine Störungen an dieser Grenzschicht können wachsen, die Grenzschicht wird instabil und turbulent. Wenn nun die Instabilität ihre nichtlineare Phase erreicht, können sich Wirbel formen, Rekonnexion kann einsetzen und Plasmastrukturen können sich ablösen. Diese Prozesse sind verantwortlich dafür, dass die Kelvin-Helmholtz Instabilität als Verlustprozess von ionosphärischen Teilchen von Planeten ohne eigenen Magnetfeldern angedacht worden ist. Allerdings ist das Verständnis der involvierten Mechanismen zur Zeit noch sehr gering. Die Hauptziele des eingereichten Projektes sind die Untersuchung der Eigenschaften der Kelvin-Helmholtz Instabilität in der Sonnenwindwechselwirkung mit Venus und Mars und die Bestimmung eines möglichen Beitrags zur Flucht von planetaren Teilchen. Es wird erforscht, ob eine Verbindung zwischen der Instabilität, auftretenden Wellen an der Grenzschicht und abgelösten Plasmastrukturen, durch die ionosphärische Teilchen verloren gehen, existiert. Wenn eine solche Verbindung existiert, wird die Effektivität dieses Verlustprozesses untersucht und Verlustraten werden abgeschätzt. Diese Ziele werden erreicht (1) durch die Entwicklung eines nichtlinearen, magnetohydrodynamischen "multi-fluid" Modells, welches den endlichen Larmorradius und den Halleffekt berücksichtigt, (2) durch detaillierte Parameterstudien über die Kelvin-Helmholtz Instabilität und ihre Konsequenzen (z.B. Bildung von Wirbeln, Ablösen von Plasmawolken), (3) durch detaillierte Datenanalyse von geeigneten Daten aus unterschiedlichen Missionen, und (4) durch den Vergleich der theoretischen Ergebnisse mit jenen aus der Datenanalyse. Dieses Projekt beinhaltet eine umfassende Herangehensweise, die theoretische Untersuchungen mit Datenanalyse verbindet. Die Forschung in dem eingereichten Projekt soll helfen, ein besseres Verständnis der Eigenschaften und Auswirkungen der Kelvin-Helmholtz Instabilität in der Sonnenwindwechselwirkung mit Venus und Mars zu bekommen und den Beitrag der Instabilität zum Verlust von Teilchen von Venus und Mars abschätzen zu können.

Dieses Projekt beschäftigte sich mit der Entwicklung der Kelvin-Helmholtz Instabilität an Grenzschichten in der Umgebung von Venus und Mars und damit, welchen Beitrag diese Instabilität für den Verlust von atmosphärischen bzw. ionosphärischen Teilchen hat. Wenn sich die Instabilität an einer Grenzschicht zwischen Sonnenwind und Planet formt, bilden sich Wellen aus, die sich auf ihrem Weg vom subsolaren Punkt zum Terminator zu Wirbeln entwickeln können. Diese Wirbel können sich dann ablösen und bilden sogenannte Plasmawolken, welche planetare Teilchen enthalten und vom Sonnenwind weggetragen werden. Das Verständnis und die Wichtigkeit verschiedener Verlustprozesse für atmosphärische bzw. ionosphärische Teilchen sind wesentlich für das Verstehen der Entwicklung eines Planeten. Die Forschungsfrage, die wir im Laufe dieses Projektes beantworten wollten, ist, welche Bedeutung die Kelvin-Helmholtz Instabilität als Verlustprozess für Planeten ohne starkes eigenes Magnetfeld spielt. Unsere Resultate zeigen, dass sich die Instabilität prinzipiell unter verschiedenen Plasmakonditionen an den Grenzschichten von Venus und Mars ausbilden kann. Jedoch entwickelt sie sich in den seltensten Fällen weiter zu Wirbeln. Die Ionopausen von Venus und Mars sind sozusagen immer stabil, die induzierten Magnetopausen können in Phasen hoher Sonnenaktivität instabil werden, sodass sich zumindest sporadisch Wirbel ausbilden können. Dieses Ergebnis passt dazu, dass aktuelle Raumsonden (niedrige Sonnenaktivität) bei Venus und Mars kaum wirbelartige Strukturen noch Plasmawolken beobachtet haben. Wir haben verschiedene stabilisierende Faktoren untersucht, d.h. Faktoren, die die Wachstumsrate der Instabilität verringern. Die Hauptrolle spielt eine starke Zunahme der Massendichte, die zum Planeten hin erfolgt. Ein weiterer Faktor, der zu einer Abnahme der Wachstumsrate führt und den wir in unserem neu entwickelten Modell implementiert haben, ist die Schwerkraft. Diese hat jedoch nur eine leicht stabilisierende Wirkung. Um auch den Einfluss der Magnetfeldkonfiguration auf die Entwicklung der Kelvin-Helmholtz Instabilität zu untersuchen, haben wir unser Modell dahingehend erweitert, dass wir eine Magnetfeldkomponente parallel zur Grenzschicht und zur Plasmaströmung mitberücksichtigen können. So ein paralleles Magnetfeld übt einen weiteren nicht zu vernachlässigenden stabilisierenden Einfluss auf die Grenzschicht aus. Außerdem haben erste Simulationen gezeigt, dass magnetische Rekonnexion innerhalb der Wirbel auftreten kann.Wir kommen zu dem Schluss, dass die Kelvin-Helmholtz Instabilität an den Grenzschichten um Venus und Mars auftreten kann, dass sie aber nur sehr selten zu Wirbeln und abgelösten Plasmawolken führt. Daher erachten wir ihre Rolle als Verlustprozess eher als untergeordnet und meinen, dass der Teilchenverlust aufgrund der Instabilität in früheren Studien über die atmosphärische Entwicklung der beiden Planeten überschätzt wurde.