Kinetische Turbulenz und Teilchentransport in astrophysikalischen Plasmen

• Antragsteller: Dr. Felix Spanier
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406991908

In astrophysikalischen Plasmen wie dem Sonnenwind oder dem interstellaren Medium wird Turbulenz beobachtet, bei der Energie von großen Skalen zu kleinen Skalen kaskadiert. Bisher wurde dabei meist der niederfrequente Teil der Kaskade betrachtet (typischerweise unterhalb der Protonengyrofrequenz). In diesem Bereich ist eine Beschreibung mit Hilfe der Magnetohydrodynamik und den Turbulenzmodellen von Kolmogorov oder Goldreich und Sridhar möglich. Dies setzt voraus, daß man Plasmen als Fluid betrachten kann.Neuere Beobachtungen (z.B. im Sonnenwind mit den Missionen Cluster, MMS oder in Zukunft THOR) erlauben aber einen besseren Einblick in Turbulenze jenseits der Protonenzyklotronfrequenz. Hier werden kinetische Effekte im Plasma relevant und eine Fluidbeschreibung ist nicht mehr möglich. Aus Beobachtungen und theoretischen Überlegungen ist es bisher nicht möglich, detailliert zu beschreiben, welche Wellenmoden oder Strukturen sich in diesen Bereichen zu finden sind. An diesen Punkt knüpft das vorliegende Projekt an: Mit Hilfe von numerischen Simulationen soll untersucht werden, wie sich Turbulenz über größere Skalen entwickelt. Das zentrale Problem dabei ist, daß es für verschiedene Skalen im Plasma unterschiedliche Simulationstechniken gibt, die jeweils nicht geeignet sind (entweder weil sie die Physik in anderen nicht korrekt beschreiben oder weil der numerische Aufwand zu groß ist), Turbulenz über den gesamten Beobachtungsbereich zu beschreiben.Hier wird der Ansatz gewählt, durch eine geschickte Verknüpfung von Simulationstechniken ein Multiskalenmodell der Turbulenz zu erstellen, das es ermöglicht, vom Bereich der MHD-Turbulenz bis hinunter zu kleinsten kinetischen Skalen ein numerisches Abbild der Turbulenz zu erhalten.Zu den Simulationstechniken, die verwendet werden, gehören insbesondere MHD-Simulationen, Hybrid-Codes und Particle-in-Cell-Codes. Mit den Simulationen sollen mehrere Fragen untersucht werden:- Was ist die Natur kinetischer Turbulenz im Bereich jenseits der Protonengyrofrequenz?- Welchen Einfluß hat die kinetische Turbulenz auf den Teilchentransport (insbesondere von Elektronen)?Gerade die letzte Frage nimmt einen großen Stellenwert ein: Der Transport energetischer Teilchen hat nicht nur wissenschaftliche Bedeutung, sondern spielt im Rahmen des Space Weather auch ansonsten eine große Rolle. Hier soll aber insbesondere untersucht werden, ob der Elektronentransport sich wesentlich vom Protonentransport unterscheidet, da Elektronen vornehmlich mit dem kinetischen Teil des Spektrums interagieren. Dabei stellt sich auch die Frage, ob man aus der Untersuchung des Transports Rückschlüsse auf die Turbulenz ziehen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen