Die Stabilität des Sonnenwindes

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Eine künstlerische Darstellung der Raumsonde Wind. Astronomen haben mit Daten von Wind die erste vollständige Analyse von zwei wichtigen Instabilitäten im Plasmafluß des Sonnenwinds durchgeführt.
NASA / Wind

Die NASA Raumsonde Wind beobachtet den Sonnenwind, bevor dieser auf die Magnetosphäre der Erde trifft. 1994 in eine Umlaufbahn gebracht, die mehr als zweihundert Erdradien entfernt liegt, ist eines der wichtigsten Ziele dieser Sonde, die grundlegenden physikalischen Prozesse, die im ionisierten Gas des Sonnenwindes nahe der Erde ablaufen, zu untersuchen. Eine der offenen Fragen betrifft die Stabilität des Sonnenwindplasmas.

Die drei wichtigsten Teilchen im Sonnenwind sind Protonen, Elektronen und Heliumkerne (zwei Protonen und zwei Neutronen). Im Gegensatz zu Teilchen in einem herkömmlichen dichten Gas können die geladenen Teilchen in dem Wind Bewegungen und kollektives Verhalten aufweisen, die nicht nur durch ihre Temperatur zu beschreiben sind. Zum Beispiel kann der Wind Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen und Dichten besitzen, die sich als Wellen weiter ausbreiten, oder sich auflösen, und die im Wind gespeicherte Energie kann zwischen verschiedenen Eigenschwingungsformen (Moden) umgewandelt werden. Darüber hinaus kann der Wind zwei nicht miteinander gemischte Gase von unterschiedlichen Temperaturen und Strömungen in derselben Umgebung enthalten und diese Regionen können verschieden auf die Magnetfelder reagieren, die dort vorkommen.

Mike Stevens vom CfA und seine Kollegen analysierten mit der Raumsonde Wind zwei wichtige Instabilitäten im Sonnenwind, die erste derartige Untersuchung, die alle drei Teilchenarten mit einbezieht. Eine der beiden Instabilitäten ergibt sich, wenn der in Bewegungsrichtung weisende Druck stark genug ist, um im Plasma kleine Wellen zu erzeugen; die andere Instabilität entsteht, wenn im Wind sich Druck innerhalb dichter Klumpen aufbaut, und die Klumpen dadurch aufbrechen. Die Wissenschaftler folgerten aus den Daten der Raumsonde Wind, daß Protonen für beide Instabilitäten verantwortlich waren, daß aber die Anwesenheit der beiden anderen Spezies wichtig war; sie tragen ungefähr zu einem Drittel der beobachteten Effekte bei beiden Instabilitäten bei. Die Forscher kamen darüber hinaus zu dem Schluß, daß für die meiste Zeit der Sonnenwind stabil ist. Die neuen Ergebnisse werden für andere Situationen hilfreich sein, bei denen Plasmen eine Rolle spielen.

Literatur:

„Multi-Species Measurements of the Firehose and Mirror Instability Thresholds in the Solar Wind“

C. H. K. Chen, L. Matteini, A. A. Schekochihin, M. L. Stevens, C. S. Salem, B. A. Maruca, M. W. Kunz, and S. D. Bale

The Astrophysical Journal Letters, 825:L26 (5pp), 2016 July 10