Magnetosheath-Jets im Laufe eines Sonnenzyklus

Die Sonne sendet ständig geladene Teilchen aus, die den sogenannten Sonnenwind bilden. Für diesen Sonnenwind stellt das Erdmagnetfeld ein Hindernis dar. Daher wird der Sonnenwind an der Bugstoßwelle vor der Magnetosphäre verzögert; das ist die Region, in der das Erdmagnetfeld dominiert. Zwischen der Bugstoßwelle und der Magnetosphäre liegt die sogenannte Magnetosheath. Die vorgeschlagene Studie befasst dich mit Teilchen-Jets innerhalb der Magnetosheath. Da die Jets den gesamten Raum zwischen der Bugstoßwelle und der äußeren Grenzschicht der Magnetosphäre, der Magnetopause,überwinden können,stellen sie ein wichtiges Wechselwirkungselement zwischen dem Sonnenwind und der Magnetosphäre dar. Auf die Magnetosphäre haben auch extreme Sonnenwind-Events großen Einfluss, z.B. großskalige Auswürfe von Magnetfeld und Plasma von der Sonnenoberfläche oder Wechselwirkungsregionen zwischen Sonnenwinden unterschiedlicher Geschwindigkeiten. Extreme Sonnenwind-Events hängen stark mit dem elfjährigen Sonnen-Aktivitäts-Zyklus zusammen. Bis jetzt ist nicht bekannt, ob es eine Beziehung zwischen den Jets und den Phasen des Sonnenzyklus bzw. den extremen Sonnenwind-Events gibt. Die vorgeschlagene Studie soll hier Licht ins Dunkel bringen. Ziel der Studie ist deshalb, herauszufinden: (1) unter welchen Bedingungen und auf welche Art Jets während extremer Sonnenwind-Events entstehen, und (2) welche Eigenschaften diese Jets haben und welchen Einfluss sie auf die Magnetosphäre ausüben können, im Laufe eines gesamten Sonnenzyklus. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen zunächst Datensätze aller relevanten Größen (d.h., der Jets, der extremen Sonnenwind-Events, der solaren bzw. erdmagnetischen Aktivitäts-Phasen, etc.) erstellt oder vervollständigt werden, basierend auf Beobachtungen der Sonne, des Sonnenwinds, der Magnetosheath, und der Magnetosphäre. Zweitens muss eine Reihe von Sonnenwind-Events im Detail analysiert werden, um herauszuarbeiten, wie und wie oft Jets dabei entstehen, und welche Eigenschaften und Auswirkungen sie haben. Drittens müssen die Ergebnisse dieser detaillierten Einzelbetrachtungen in eine umfassende statistische Analyse der Jets eingebracht werden, die zeitlich mindestens einen Sonnenzyklus abdeckt. Diese Untersuchungen werden unser Wissen über die Jets und über ihre Rolle in der Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und Erdmagnetosphäre in signifikanter Weise erweitern. Diese Studie ist nur durch interdisziplinäre Arbeit möglich. Das Projektteam besteht daher aus Experten auf dem Gebiet der Jets und der Sonnenforschung am Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und am Institut für Physik der Universität Graz.

Das geomagnetische Feld der Erde schützt die Erdatmosphäre davor, vom Sonnenwind, einem konstanten Plasmastrom von der Sonne, weggezogen zu werden. Die äußere, zusammengedrückte Grenze des geomagnetischen Feldes ist die Magnetopause, die den Plasmastrom ablenkt. Vor Erreichen der MP hat das Sonnenwindplasma Überschallgeschwindigkeit, sodass sich bereits stromaufwärts im Sonnenwind eine Bugstosswelle bildet, die die Strömung des Sonnenwindes schlagartig abbremst und so teilweise die Stömungsenergie in thermische Energie umwandelt. Das Gebiet zwischen BS und MP wird Magnetoscheide genannt. In dieser Region ist der Sonnenwind, komprimiert und extrem turbulent. In diesem Projekt werden verschiedene Aspekte der Wechselwirkung zwischen dem räumlich und zeitlich veränderlichen Sonnenwind und dessen Magnetfeld mit der Bugstosswelle bzw. der Magnetoscheide untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den so genannten Magnetoscheide-Jets, mesoskaligen Strukturen mit verstärkten dynamischen Druckimpulsen, die durch verschiedene physikalische Mechanismen vor oder an der Bugstosswelle entstehen. Die Jets breiten sich durch die Magnetoscheide aus, und einige von ihnen erreichen sogar die Magnetopause, was zu extemen Weltraumwetterereignissen im erdnahen Weltraum führt. Auf der Grundlage einer umfangreichen Datenbank von Jets wurde gezeigt, dass die Jets eine höhere Wahrscheinlichkeit haben, die Magnetopause zu treffen und möglicherweise Oberflächenwellen zu erzeugen, wenn das Magnetfeld mit der Strömungsrichtung des Sonnenwindes ausgerichtet ist und die Strömung dadurch höhere Geschwindigkeiten erreicht. Es wurde nachgewiesen, dass derartige Hochgeschwindigkeitsjets in der Magnetoscheide bei einer Reformation der Bugstosswelle, in Kombination mit Plasmawellen die sich entgegnen der Sonnenwindrichtung ausbreiten, entstehen. Auf der Grundlage numerischer Simulationen wurde gezeigt, dass diese Plasmawellen der stark durch Turbulenzen beeinflusst werden. Es wird vermutet, dass für ein besseres Verständnis der Fluktuationen in der Magnetoscheide, die auch bei der Jetbildung eine Rolle spielen , das Energiebudget, einschließlich elektromagnetischer Druck-Dehnungs-Terme, mitberücksichtigt werden müssen. Diese spezifischen Bedingungen für die Entstehung von Jets werden teilweise durch großräumige Sonnenwindstrukturen bestimmt. Die erste statistische Studie, die im Rahmen des Projekts durchgeführt wurde, hat gezeigt, dass: a.) das Auftreten von Jets abnimmt, wenn koronale Massenauswürfe, massive Ausstöße von Plasma und Magnetfeld aus der Sonnenkorona, auf die Butstosswelle treffen; b.) das Auftreten von Jets zunimmt, wenn Hochgeschwindigkeitsströme, die beispielsweise von koronalen Löchern stammen, auf die Bugstosswelle treffen. Es wurde beobachtet, dass das Hochgeschwindigkeitsplasma des Sonnenwindes auch die hochenergetischen Ionenflüsse in der Magnetoscheide stark beeinflusst. Ein statistischer Vergleich des Auftretens von Jets während zweier Sonnenzyklen (11-jähriger Zyklus der Sonneaktivität), zwischen 1996 und 2019, zeigte, dass die Bildung von Jets nicht stark vom Sonnenzyklus abhängt. Um die internationale Zusammenarbeit auf diesem Gebiet zu fördern wurden frei zugängliche Datenbanken eingerichtet, in denen die Forschungsergebnisse bezüglich der Jets und deren Wechselwirkungen zugänglich sind. Die Projektergebnisse sind nicht nur wichtig die Wecheslwirkung zwischen Sonne und Erde besser zu verstehen sondern können auch auf planetare und astrophysikalische Systeme mit kollisionsfreien Plasmen erweitert werden.