Ionenskalen-Stromschichtinstabilitäten in kinetischer Plasmaturbulenz

• Antragsteller: Dr. Neeraj Jain
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399153660

Ein wesentliches ungelöstes Problem der Physik stoßfreier Plasmen, z.B. der Sonnenkorona und des Sonnenwinds, ist die irreversible Dissipation makroskopischer Energie ohne stoßbestimmte Viskosität und elektrischen Widerstand. Turbulenz ermöglicht den Energietransfer von makroskopischen hin zu kinetischen Skalen wo die Energie dissipiert wird. In situ Multisatelliten (Cluster, MMS) Weltraumbeobachtungen und numerische Simulationen stoßfreier Plasmaturbulenz zeigten, dass die intermittierende Dissipation in und an Ionenskalen-Stromschichten erfolgt, die sich auf selbst-konsistent in der Turbulenz bilden. Plasmainstabilitäten in diesen Stromschichten führen zur stoßfreien Dissipation, sie bestimmen die Eigenschaften der kinetischen Plasmaturbulenz, wie, z.B., den Ionenskalen-spektralen Bruch im magnetischen Fluktuationsspektrum und die nicht-monotone Skalenabhängigkeit der Wellenvektor-Anisotropie. Die Rolle von Stromschichtinstabilitäten auf kinetischen Skalen für Turbulenz und Dissipation ist jedoch bisher ungeklärt. Ziel dieses Antrags ist die Erforschung von Ionenskalen- Plasmainstabilitäten in Ionen-kinetischer Plasmaturbulenz, insbesondere die Lokalisierung des spektralen Bruchs im Turbulenzspektrum und die Bestimmung der Skalenabhängigkeit der Wellenvektor-Anisotropie.Zuerst werden wir 3D Hybrid- (Ionen als Teilchen, Elektronen als trägheitslose Flüssigkeit) Simulationen der Ionen-kinetischen Turbulenz mit dem A.I.K.E.F.-Code der TU Braunschweig durchführen um (1) die entwickelte 3d Turbulenz zu charakterisieren durch Spektren der Bestimmungsgrößen, den spektralen Bruch und die Wellenvektor-Anisotropie, (2) die Stromschichten durch das Stromdichtemaximum, ihre Geometrie, den relativen Beitrag der Elektronen und Ionenströme und (3) die freie Energie gegeben durch die Gradienten-Skalenlängen der Dichte, Elektronen- und Ionengeschwindigkeiten und die Ionentemperaturanisotropie. Wir werden dann die nichtlineare Evolution der Instabilitäten einzelner laminarer Stromschichten mit den typischen Parametern, die wir durch Charakterisierung der turbulenten Stromschichten erhielten, untersuchen und entsprechende Hybridsimulationen durchführen. Durch Vergleich der Turbulenz mit dem nichtlinearen Stadium der Evolution individueller Stromschichten werden wir nach möglichen Verbindungen zwischen beiden suchen.Unsere Ergebnisse für acht verschiedene Plasma-Beta Werte zwischen 0.1 und 10 werden wir mit den MMS/CLUSTER Weltraum-Beobachtungen der Gruppe um Z. Vörös und Y. Narita in Graz vergleichen. Unsere Untersuchungen sind genau zeitgemäß, da ab 2018 Messungen zur Rekonnexion, Stromschichten und Turbulenz auf kinetischen Skalen von der MMS Weltraummission durchgeführt werden und entsprechende Laborexperimente (VINETA-II in Greifswald und FLARE in Princeton) in Vorbereitung sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Jörg Büchner; Professor Uwe Motschmann, Ph.D.