Verdrillte magnetische Flussröhren im Sonnenwind

Magnetfelder im interplanetaren Raum zeigen unterschiedliche Arten von Strukturen und Wellen. Vor allem die Verdrillung von Magnetfeldern in Flussröhren ist eine der wichtigsten Entdeckungen aus der Sonnenwind-Forschung, die als Durchbruch angesehen wird, um fundamentale Fragen über die Dynamik von Weltraumplasma zu beantworten; z.B. wann und wo die magnetische Verdrillung entsteht, wie das Sonnenplasma in den erdnahen Weltraum transportiert wird, wie die Magnetfelder in der Sonnenkorona destabilisiert werden und wie sich die Strömung des Sonnenplasmas zur Turbulenz hin entwickelt. All diese Fragestellungen sind wichtig, um unser Verständnis der erdnahen Plasma-Umgebung sowie für stellare und interstellare Plasmen in der Astrophysik verbessern. Innerhalb des Projekts wird erstmalig eine systematische Studie von verdrillten Magnetfeldern im interplanetaren Raum ausgeführt und die magnetischen Strukturen anhand von in-situ Messungen im Sonnenwind untersucht, die durch Raumsonden auf der Erdbahn (1 Astronomische Einheit) und in Sonnennähe bis zur Merkur-Bahn (etwa 0,3 Astronomische Einheiten) aufgezeichnet wurden. Der interplanetare Raum ist der einzige Ort, an dem man in-situ Messungen von stoßfreien Plasmen mit Raumsonden durchführen kann. Im ersten Teil des Projektes werden die Magnetfeld- und Plasmadaten nahe der Erdbahn ausgewertet. Mit Daten aus den Satellitenmissionen ACE, WIND und STEREO werden experimentell physikalische Eigenschaften verdrillter Magnetfelder bestimmt, wie Häufigkeit, Länge, Durchmesser und Grad der Verdrillung, sowie die Dichte des Plasmas und dessen Temperatur. Diese Eigenschaften werden dann im zweiten Schritt als Funktion des Abstands von der Sonne ermittelt. Die Daten der Helios-Mission im Bereich von der Erd- bis zur Merkur-Bahn werden hierbei zusammen mit IMP8- und ISEE3-Messungen ausgewertet. Die Forschung basiert auf der Hypothese, dass die magnetische Verdrillung ein Schlüssel-Prozess innerhalb des Plasmatransports ist und dass die zeitliche Entwicklung und Wechselwirkung von magnetischen Strukturen, die die Verdrillung tragen, in unterschiedlichen Abständen von der Sonne verfolgt werden kann. Diese Resultate werden zu einem besseren Verständnis der Prozesse im Weltraumplasma führen, beispielsweise im Zusammenhang mit der Erzeugung von Turbulenz, Erosion von Strukturen, Heizung von Plasma und mit Wechselwirkungen des Sonnenwindes mit der Magnetosphäre sowie Weltraumwetter. Die Resultate aus diesem Projekt bilden eine Brücke zwischen der Weltraumplasmaphysik, Sonnenphysik und der Physik astrophysikalischer Plasmen. Die neuen Kenntnisse werden unmittelbar integriert in die Planung der bevorstehenden ESA-Missionen, wie Solar Orbiter und THOR, sowie Solar Probe Plus von der NASA, um den wissenschaftlichen Nutzen dieser Missionen zu maximieren.

Das Magnetfeld ist in Weltraumplasmen nicht homogen verteilt. Stattdessen ist es oft in filamentären Strukturen, sogenannten magnetischen Flussröhren, gebündelt. Innerhalb dieser Röhren ist das Magnetfeld oft verdrillt; es weist eine helikale Geometrie auf. Folglich entsprechen magnetische Flussröhren - ihrer Struktur nach - auch eher Seilen. Die Verdrillung des Magnetfeldes spielt eine entscheidende Rolle in der zeitlichen Entwicklung und in Wechselwirkung von Flussröhren mit dem umgebenden Plasma. Koronale Massenauswürfe, die von der Sonne ausgestoßen werden und sich im interplanetaren Raum ausbreiten, enthalten oft magnetische Flussröhren im Kern. Dort werden sie auch als magnetische Wolken (MWn) bezeichnet. In diesem Projekt geht es um Plasmaturbulenz, die vor MWn generiert wird, und um den Prozess der magnetische Rekonnexion (MR), der in der äußeren Grenzschicht von MWn stattfinden kann. MR wandelt magnetische Energie in andere Energieformen um. Dies geschieht vornehmlich in dünnen Stromschichten, über die das Magnetfeld seine Orientierung ändert. MR kann auch in turbulenten Plasmen vor MWn stattfinden, wo die stochastische Plasmabewegung Stromschichten und Wirbelstrukturen generiert. Eine der wichtigsten Herausforderungen in der Weltraumplasmaphysik ist die Erarbeitung eines physikalischen Verständnisses der Wechselwirkung von helikalen MWn mit den interplanetaren Magnetfeldern und Plasmen. Unser Verständnis davon ist deshalb so begrenzt, da derzeitige Satellitenmissionen im Sonnenwind nur Messungen ohne räumliche Auflösung und mit ungenügender zeitlicher Auflösung zur Verfügung stellen können. Trotz dieser Einschränkungen ist es uns gelungen, unser Verständnis der Wechselwirkung in drei Schritten substantiell zu erweitern: (a) Wir haben MR und Turbulenz mit Hilfe von Daten magnetosphärischer Satellitenmissionen untersucht. Diese Missionen stellen Multipunkt-Messungen mit hohen zeitlichen Auflösungen zur Verfügung. Die Daten stammen aus der turbulenten Magnetosheath-Region der Erde, in der unregelmäßige Fluktuationen mit kohärenten Strukturen (Flussröhren, Jets, Wirbeln, etc.) koexistieren. (b) Auf Basis dieser Multipunkt-Messungen haben wir Marker für turbulente Strukturen in Einzelsatelliten-Messungen herausgearbeitet. Wir haben herausgefunden, dass erhöhte Korrelationen zwischen solchen Markern auf Plasmaheizung in ausgedehnten Plasmaregionen vor MWn hinweisen. Diese Regionen, die durch Energie-Umwandlungsprozesse charakterisiert sind, wurden zum ersten Mal im Sonnenwind beobachtet. (c) Des Weiteren haben wir MR in der Grenzschicht einer MW, und damit deren Wechselwirkung mit dem Sonnenwind in einer Fallstudie genauer untersucht. Dies war aufgrund vorhandener Symmetrien und aufgrund der langsamen Bewegung der Rekonnexionsstruktur trotz niedriger zeitlicher Auflösung der verfügbaren Messdaten möglich. Wir haben herausgefunden, dass die MR an der Grenzschicht wegen dort entgegengerichteter Magnetfelder stattfindet. Sie steht außerdem mit weiteren dynamischer Prozessen in Beziehung, z.B. mit Diskontinuitäten im Geschwindigkeitsfeld, mit Plasmainstabilitäten, sowie mit Teilchen-Beschleunigungen und Wellenaktivitäten. Diese miteinander wechselwirkenden Prozesse finden zeitgleich statt. Sie bewirken, einerseits, massive Energieumwandlungen auf Teilchenskalen sowie, andererseits, großskalige Rekonfigurationen der magnetischen Felder.