Turbulenz, Rekonnexion und Sonneneruptionen

Solare Flares, einfache Plasma-Magnetfeldbögen, sind als Folge von Eruptionen in Magnetfeldstrukturen zu beobachten, die durch Sonnenflecken mit der Sonne verankert sind. Um die Physik dieser Sonnenaktivität noch besser zu durchschauen, beschäftigten sich EU-finanzierte Wissenschaftler mit der Magnetfeldrekonnexion.

Innerhalb ihres klassischen Bilds mit einer einzigen Stromschicht kann die Rekonnexion nicht die Geschwindigkeiten erreichen, die ausreichend hoch für die bei Sonneneruptionen beobachtete schnelle Energiefreisetzung sind. Überdies hinaus gibt es einen gewaltigen Unterschied zwischen dem magnetischen Energieeintrag und den Flüssen aus beschleunigten Teilchen.

Das Projekt SERAF (Solar eruptions and flares: Bridging the gap) zielte darauf ab, die Lücke zwischen der Größenordnung, in der die Energie eintritt, und zwar der Stromschicht, und der Größenordnung der Energieverteilung zu überbrücken. Ein ähnliches Problem besteht auch in der klassischen Strömungsmechanik, wo die Größenordnung des Energieeinsatzes, typischerweise des Schlauchdurchmessers, größer als die molekulare Größenordnung ist.

Bei viskosen Flüssigkeiten werden die Größenordnungen dazwischen durch die Kaskade aus kleinen Wirbeln aufgefüllt, durch welche Energie zu kürzeren Größenordnungen transportiert wird. Das Projektteam von SERAF sollte die Größenordnungslücke in der magnetischen Rekonnexion unter Einsatz des Konzepts der multiplen magnetischen Inseln - der sogenannten Plasmoiden - überwinden, welche die Rolle von Wirbeln spielen könnten.

Dieses Bild der turbulenten magnetischen Rekonnexion wurde anhand von 3D-Simulationen, die ein breites Größenordnungsspektrum abdeckten, im Einzelnen untersucht. Eine Aufteilung der Stromschicht in verschiedene räumliche und zeitliche Maßstäbe in Kombination mit der Gegenskalierbarkeit von Magneto-Hydrodynamik-Gleichungen (magneto hydrodynamics, MHD) gestattete den SERAF-Wissenschaftlern, das Phänomen zu reproduzieren.

Im Einzelnen verwendeten die Wissenschaftler einen MHD-Code auf Grundlage einer Finite-Elemente-Methode mit einem selbstanpassenden Gitter, um die Bildung von immer kleineren Plasmoiden darzustellen. Mit Hilfe von Sonnenbeobachtungen des ALMA (Acatamalarge millimeter/submillimeter array) im Norden Chiles wurden die Simulationsergebnisse validiert.

Die durch die Projektresultate von SERAF bestätigte kaskadierende Rekonnexion kann die großmaßstäbliche Dynamik der eruptiven Phänomene mit der kleinmaßstäblichen Beschaffenheit der Teilchenbeschleunigung in Einklang bringen. So wurde soeben das lange gesuchte Bindeglied zwischen "klassischen" und "chaotischen" Szenarien der Energiefreisetzung bei Sonneneruptionen gefunden.