Energieübertragung über magnetosphärische Grenzschichten

Der Bereich außerhalb der Erdatmosphäre ist im Großen und Ganzen durch ionisiertes Gas, sogenanntes Plasma, erfüllt. Meist ist die Dichte dieses Weltraum-Plasmas gering genug um die Viskosität zu vernachlässigen, d.h. Stöße zwischen den ionisierten Teilchen sind untergeordnet. Damit ergibt sich ein wesentlicher Unterschied zu neutralen, viskosen Flüssigkeiten, z.B. zu Luft oder Wasser. In solch einem stoßfreien Plasma-System spielen die Grenzschichten zwischen Regionen mit unterschiedlichen Plasmaeigenschaften eine zentrale Rolle für den Energieübertrag und die Dynamik des Systems ganz generell. Ziel dieses Projektes ist das Verstehen des Energietransfers über Grenzschichten des stoßfreien Plasmas hinweg. Diese fundamental wichtige Fragestellung der Weltraumplasmaphysik wurde in der Vergangenheit bereits von einigen Studien adressiert, allerdings blieben quantitative Aspekte des realitätsnahen Energie-Transferprozesses großteils unverstanden. Der Grund dafür liegt im weiten Umfang räumlicher und zeitlicher Skalen, auf denen Energietransfers in stoßfreien Plasmen stattfinden, beginnend mit der kinetischen Skala (Betrachtung von Einzelteilchen) bis hin zur globalen Beschreibung des Systems. Der Umfang der Skalen kann durch Labor- und Satelliten-Messungen allein nicht abgedeckt werden. Aktuelle Fortschritte bei numerischen Simulationen ermöglichen quantitativ umfangreichere Abschätzungen der Transferprozesse, allerdings bleiben bis dato einige unrealistische Annahmen bestehen. Vor diesem Hintergrund ist der wissenschaftliche Fokus dieses Projektes die Quantifizierung des Energietransfer-Prozesses in genauerer Weise als bisher; die Berücksichtigung aller notwendigen Skalen erfolgt durch Plasma-Simulationen auf dem neuesten Stand der Technik, kombiniert mit Plasmamessungen durch in-situ und Fernerkundungs-Methoden. Die Einzigartigkeit des Projektes liegt in der Betrachtung unterschiedlicher Typen von Plasma-Grenzschichten der Erdmagnetosphäre (jener Bereich des Weltraums, in dem das terrestrische Magnetfeld der dominierende Faktor ist). Damit können unterschiedliche Faktoren und Skalen des Energie-Transferprozesses über Grenzschichten hinweg abgedeckt werden die Erdmagnetosphäre fungiert hierbei als großes Experiment zur Erkundung der Physik von Grenzschichten. Speziell für dieses Projekt wird eine Reihe von umfangreichen Plasma-Teilchensimulationen repräsentativer Grenzschichten der Magnetosphäre durchgeführt. Verwendet wird dafür einer der weltgrößten Supercomputer MareNostrum unter Berücksichtigung realistischer Simulationsbedingungen wie sie von hochaufgelösten in-situ Messungen der aktuellen Magnetospheric Multiscale (MMS) Satellitenmission vorliegen. Die Simulationsresultate werden mit den MMS Messungen, mit umfangreichen Datensätzen anderer Satellitenmissionen und mit Bodenbeobachtungen verglichen. Das erlaubt sowohl die lokale Betrachtung der Physik an Grenzschichten als auch die globale Kopplung dieser lokalen Prozesse. Basierend auf den Projektresultaten ergibt sich nicht nur ein quantitatives Verständnis der Physik von Grenzschichten der Magnetosphäre auf verschiedenen Skalen, sondern erstmals auch eine umfangreiche, systematische Sichtweise auf die Physik von Grenzschichten in stoßfreien Plasmen generell. Diese neuen Erkenntnisse erlauben die Anwendung auf zahlreiche weitere planetare und astrophysikalische Objekte und unterstützen somit zukünftige Weltraummissionen.

Der Raum über der Atmosphäre ist mit ionisiertem Gas, dem sogenannten Plasma, gefüllt. Dessen Fluidverhalten wird primär durch Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern aufrechterhalten, weniger (größtenteils vernachlässigbar) durch Kollisionen wie im Fall von neutralem Gas. Der Bereich im erdnahen Raum, in dem Plasma vom Dipolfeld der Erde beeinflusst ist, wird Magnetosphäre bezeichnet. Die Form der Magnetosphäre entsteht durch die Wechselwirkung mit dem Sonnenwind, einem schnellen Plasmafluss von der Sonne, der vom interplanetaren Magnetfeld getragen wird. Die auftreffende Sonnenwindenergie verändert die Eigenschaften der magnetosphärischen Grenzschichten und treibt schließlich deren globale Dynamik, teilweise wird die Energie in der Atmosphäre bei der Erzeugung von Polarlichtern umgesetzt. Dieses Projekt zielt darauf ab Prozesse der Energieübertragung und des Massentransportes durch Grenzenschichten des Sonnenwind-Magnetosphären-Systems zu verstehen. Zwei Prozesse an der Grenze werden detailliert untersucht: (1) magnetische Rekonnexion, die in einer dünnen Stromschicht stattfindet, d.h. bei hoher magnetischer Scherung, und (2) die Kelvin-Helmholtz (KH)-Instabilität, die an Grenzen mit hoher Schergeschwindigkeit auftritt. Die Einzigartigkeit des Projekts liegt in der Kombination fortschrittlicher Computersimulationen, einschließlich des Supercomputers "MareNostrum", verbunden mit einer umfassenden Analyse von Daten der beiden vier Satelliten-Missionen MagnetosphericMultiscale (MMS) und Cluster, zusammen mit bodengestützten Beobachtungen, durch Anwendung innovativer Mehrpunkt-Datenanalysemethoden. Zum ersten Mal konnte eine realistische Computersimulation der K-H-Wellen mit großer magnetischer Scherung direkt mit MMS-Beobachtungen verglichen werden. Eine detaillierte Analyse von Simulations- und Satelliten-Daten ermöglichte die Auflösung interner Strukturen von K-H-Wellen auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen. Besondere Bedeutung hat die Entdeckung von Stromschichten am Rand des K-H-Wirbels auf Skalen im Plasma die von Elektronen dominiert werden, sie führen zu magnetischer Rekonnexion. Die relative Rolle dieser Strukturen bei der Energieumwandlung und Durchmischung des Plasmas wurde quantitativ an den Magnetosphärenflanken erfasst. Darüber hinaus enthüllten unsere Studien an der Nachtseite der Magnetosphäre, die auf einer umfassenden Datenanalyse der MMS- und Cluster-Missionen basierten, den dynamischen Prozess transienter Stromschichten verbunden mit Hochgeschwindigkeitsströmungen im Plasma. Diese wiederum werden beschleunigenden Prozessen der magnetischen Rekonnexion im Plasma zugeschrieben. Transiente dünne Stromschichten deuten auf eine neue Art sekundärer magnetischer Rekonnexion hin, die durch die Wechselwirkung zwischen einem Jet von primären Rekonnexions-Regionen und dem Umgebungsplasma initiiert wird. Mit Hilfe der modifizierten Software konnten quantitative Analysen einschließlich der Geometrie der Stromschichten und einer Abschätzung der Rekonnexions-Rate durchgeführt werden. Dieses quantitative Verständnis des Sonnenwind-Magnetosphäre-Systems hat umfassendere Auswirkungen nicht nur auf die grundlegende Magnetosphären- und Weltraumplasma-Physik, sondern auch auf praktische Anwendungen bezüglich Weltraumwetter, die in direktem Zusammenhang mit technologischen Infrastrukturen stehen.