Vlasiator enthüllt: Lösungen für ein zentrales Rätsel der Weltraumphysik

Von der Universität Helsinki, 22. August 2023

Plasmaausbrüche im erdnahen Weltraum. Das Vlasiator-Modell der Universität Helsinki zeigte, dass sowohl magnetische Wiederverbindung als auch kinetische Instabilitäten für Plasmaausbrüche im erdnahen Weltraum verantwortlich sind, und lieferte wichtige Erkenntnisse für die Weltraumforschung und -technologie. Bildnachweis: Jani Närhi

Vlasiator, a supercomputer model for simulating near-Earth space, has revealed that plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Plasmaausbrüche im erdnahen Raum werden sowohl durch magnetische Wiederverbindung als auch durch kinetische Instabilitäten beeinflusst. Während Theorien die Ursache schon lange diskutieren, zeigte die 6D-Modellierung von Vlasiator, dass beide Theorien nebeneinander existieren und gleichzeitig funktionieren. Diese Erkenntnisse sind für das Design von Raumfahrzeugen, die weitere Forschung und die Verbesserung von Weltraumwettervorhersagen von entscheidender Bedeutung.

Wie entstehen Plasmaausbrüche im erdnahen Raum? Vlasiator, ein an der Universität Helsinki entwickeltes Modell zur Simulation des erdnahen Weltraums, zeigte, dass die beiden zentralen Theorien zum Auftreten von Eruptionen gleichzeitig gültig sind: Eruptionen werden sowohl durch magnetische Wiederverbindung als auch durch kinetische Instabilitäten erklärt.

Auf der Nachtseite der Magnetosphäre treten Plasmoide oder schnelle Plasmaausbrüche auf. Plasmoide werden auch mit der plötzlichen Aufhellung des Polarlichts in Verbindung gebracht. Mithilfe des Vlasiator-Modells untersucht und simuliert die Forschungsgruppe für Weltraumphysik der Universität Helsinki diese schwer vorhersehbaren Eruptionen im erdnahen Weltraum.

„Die mit Plasmoiden verbundenen Phänomene verursachen die intensivsten, aber am wenigsten vorhersehbaren magnetischen Störungen, die beispielsweise Störungen in Stromnetzen verursachen können“, sagt Minna Palmroth, Professorin für Computergestützte Weltraumphysik an der Universität Helsinki.

„Diese Ausbrüche ereignen sich täglich in unterschiedlicher Größe im ‚Schwanz‘ der Magnetosphäre.“

Palmroth, der kürzlich mit der Copernicus-Medaille ausgezeichnet wurde, ist außerdem Direktor des Centre of Excellence in Research of Sustainable Space und Hauptforscher für die Vlasiator-Simulation.

„Die Ereigniskette, die zu Plasmoiden führt, ist eine der am längsten ungelösten Fragen der Weltraumphysik: Seit den 1960er Jahren wird nach Lösungen dafür gesucht“, sagt Palmroth.

Um den Verlauf der Ereignisse zu erklären, wurden zwei konkurrierende Denkrichtungen vorgeschlagen. Die erste geht davon aus, dass die magnetische Wiederverbindung einen Teil des Magnetschweifs in ein Plasmoid trennt. Einer anderen Erklärung zufolge stören kinetische Instabilitäten die Stromschicht (eine breite, dünne Verteilung des elektrischen Stroms), die den Schwanz aufrechterhält, was schließlich zum Ausstoß eines Plasmoids führt. Über den Vorrang dieser beiden Phänomene wird seit Jahrzehnten gestritten.

„Es scheint nun, dass die Kausalitäten tatsächlich komplexer sind als bisher angenommen“, sagt Palmroth.

Die Vlasiator-Simulation, die die Rechenleistung eines Supercomputers benötigt, modellierte den erdnahen Weltraum erstmals in sechs Dimensionen und in einem Maßstab, der der Größe der Magnetosphäre entspricht. Die 6D-Modellierung war erfolgreich bei der Beschreibung der physikalischen Phänomene, die beiden Paradigmen zugrunde liegen.

„Es war eine schwierige technische Herausforderung, die niemand sonst bewältigen konnte“, sagt Palmroth. Hinter der Leistung stehen mehr als 10 Jahre Softwareentwicklung. Folglich konnte die Studie zeigen, dass sowohl magnetische Wiederverbindung als auch kinetische Instabilitäten die Funktionsweise des Magnetschweifs erklären. Die mit diesen scheinbar widersprüchlichen Theorien verbundenen Phänomene finden tatsächlich beide statt, und zwar gleichzeitig.

Der Befund hilft zu verstehen, wie es zu Plasmaausbrüchen kommen kann. Dies hilft bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen und Ausrüstung, bei der Beobachtung dieser Ereignisse für weitere Forschungszwecke und bei der Verbesserung der Vorhersagbarkeit des Weltraumwetters durch ein besseres Verständnis des erdnahen Weltraums.

The findings were recently published in the distinguished journal, Nature Geoscience<span class="st"> Nature Geoscience is a monthly peer-reviewed scientific journal published by the Nature Publishing Group that covers all aspects of the Earth sciences, including theoretical research, modeling, and fieldwork. Other related work is also published in fields that include atmospheric sciences, geology, geophysics, climatology, oceanography, paleontology, and space science. </span><span class="st">It was established in January 2008.</span>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Naturgeowissenschaften.

Referenz: „Magnetschweif-Plasmaeruptionen durch magnetische Wiederverbindung und kinetische Instabilitäten“ von Minna Palmroth, Tuija I. Pulkkinen, Urs Ganse, Yann Pfau-Kempf, Tuomas Koskela, Ivan Zaitsev, Markku Alho, Giulia Cozzani, Lucile Turc, Markus Battarbee, Maxime Dubart, Harriet George, Evgeniy Gordeev, Maxime Grandin, Konstantinos Horaites, Adnane Osmane, Konstantinos Papadakis, Jonas Suni, Vertti Tarvus, Hongyang Zhou und Rumi Nakamura, 29. Juni 2023, Nature Geoscience.DOI: 10.1038/s41561-023-01206-2