Künstlerische Darstellung von Mikroturbulenzen, die von Cluster gesehen wurden. Bildnachweis: ESA Zum Vergrößern anklicken
Dank der Messungen der Cluster-Mission der ESA hat ein Team europäischer Wissenschaftler ?Mikro?-Wirbel in der Magnetosphäre der Erde identifiziert.
Solche Wirbelturbulenzen im kleinen Maßstab, deren Existenz durch mathematische Modelle vorhergesagt wurde, wurden zuvor im Weltraum noch nicht beobachtet. Die Ergebnisse sind nicht nur für die Weltraumphysik relevant, sondern auch für andere Anwendungen wie die Forschung zur Kernfusion.
Am 9. März 2002 überquerten die vier Cluster-Satelliten, die in tetraedrischer Formation in 100 Kilometer Entfernung voneinander flogen, die nördliche ?magnetische Spitze? als sie ihre Entdeckung machten. Magnetische Spitzen sind die Regionen über den Magnetpolen, in denen die die Erde umgebenden Magnetfeldlinien einen magnetischen Trichter bilden.
Die magnetischen Höcker sind die beiden wichtigen Regionen in der Magnetosphäre der Erde, in denen der ?Sonnenwind? – ein konstanter Strom geladener Teilchen, der von der Sonne erzeugt wird und das gesamte Sonnensystem durchquert – kann direkt auf die obere Schicht der Erdatmosphäre (die Ionosphäre) zugreifen.
Durch diese und andere ?zugängliche? Regionen, um die Magnetosphäre – den natürlichen Schutzschild der Erde – zu durchdringen. Nur weniger als ein Prozent der gesamten Energie, die der Sonnenwind trägt und auf die Magnetosphäre der Erde trifft, kann sich tatsächlich durchschleichen, kann aber dennoch erhebliche Auswirkungen auf irdische Systeme wie Telekommunikationsnetze und Stromleitungen haben.
Das sich einschleichende Sonnenmaterial erzeugt Turbulenzen im Plasma, das die Erde umgibt, ähnlich wie in Flüssigkeiten, aber mit komplexeren Kräften. Solche Turbulenzen werden beispielsweise in den Übergangsbereichen zwischen Plasmaschichten unterschiedlicher Dichte und Temperatur erzeugt, ihre Entstehungsmechanismen sind jedoch noch nicht vollständig geklärt.
Die Turbulenzen existieren auf verschiedenen Skalen, von einigen Tausend bis zu einigen Kilometern Durchmesser. Mit in-situ ?Mehrpunkt? Messungen berichteten die vier Cluster-Satelliten im Jahr 2004 von großräumigen Turbulenzen – bis zu 40.000 Kilometer breiten Wirbeln an der Flanke der ?Magnetopause? (eine Grenzschicht, die die Magnetosphäre vom freien Raum trennt). Die neue Entdeckung von ?micro? Turbulenz mit Wirbeln von nur 100 Kilometern Durchmesser ist eine Premiere in der Erforschung des die Erde umgebenden Plasmas.
Cluster: ein beispielloses Diagnosewerkzeug
Eine solche Entdeckung ist sehr relevant. Es ermöglicht Wissenschaftlern beispielsweise, kleine und große Turbulenzen zu verknüpfen und zu hinterfragen, wie sie tatsächlich entstehen und was die Verbindungen sind. Was sind zum Beispiel die grundlegenden Mechanismen, die die Turbulenzen antreiben und formen? Wie viel tragen Wirbel zum Transport von Masse und Energie durch Grenzschichten bei? Sind kleine Wirbel nötig, um große zu erzeugen? Oder zerstreuen große Wirbel ihre Energie und erzeugen eine Kaskade kleinerer?
Beim Versuch, diese Fragen zu beantworten, ist Cluster ein beispielloses Diagnosewerkzeug für die erste dreidimensionale Karte der erdnahen Umgebung, deren Außergewöhnlichkeit durch seine gleichzeitigen Beobachtungen mit mehreren Raumfahrzeugen gegeben ist. Cluster revolutioniert unser Verständnis der Art und Weise, wie die Sonnenaktivität die Erde beeinflusst.
Außerdem trägt Clusters Untersuchung der Turbulenzen im Plasma der Erde mit der Dynamik und den beteiligten Energien zur Weiterentwicklung grundlegender Theorien über Plasma bei. Dies ist nicht nur in der Astrophysik wichtig, sondern auch für das Verständnis und den Umgang mit Plasma im Labor angesichts der hohen Energien. Dies ist insbesondere für die Forschung zur Kernfusion relevant.
Die Daten des Clusters ergänzen beispielsweise die Forschung zur Plasmaphysik im internationalen Projekt ITER, einem experimentellen Schritt, an dem mehrere Forschungsinstitute weltweit für die Strom erzeugenden Kraftwerke von morgen beteiligt sind. In dieser Hinsicht hat Cluster durch Sondierungen in der Magnetosphäre freien Zugang zum einzigen offenen ?Naturlabor? für das Studium der Plasmaphysik.
Originalquelle: ESA-Portal
