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Neue Beobachtungen zeigen Pickup-Ionen nahe der Erde
Eine kürzlich veröffentlichte Studie unter Leitung von Dr. Michael Starkey vom Southwest Research Institute berichtet von den ersten direkten Beobachtungen durch die NASA-Mission Magnetospheric Multiscale (MMS) von Pickup-Ionen (PUIs) und der damit verbundenen Wellenaktivität im Sonnenwind in Erdnähe. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine bislang wenig beachtete Ionenpopulation die Erwärmung des Sonnenwinds und letztlich Modelle zum Weltraumwetter beeinflussen könnte.
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Diese Darstellung zeigt, wie die Magnetosphäre der Erde mit dem Sonnenwind wechselwirkt. Die Magnetosphäre schützt die Erde vor schädlicher solarer und kosmischer Strahlung.
Die MMS-Mission, gestartet im Jahr 2015, betreibt vier koordiniert fliegende Raumfahrzeuge, die elektrische und magnetische Felder sowie Plasmapopulationen in und um die Magnetosphäre der Erde messen. Durch die Kombination hochauflösender Magnetfeldmessungen mit Teilchenmessungen und theoretischen Instabilitätsanalysen identifizierte das Forscherteam Plasmawellen, die mit einem Wachstum übereinstimmen, das durch Pickup-Ionen angetrieben wird.
Wie Pickup-Ionen entstehen und warum sie wichtig sind
Entstehung und Geschwindigkeitssignaturen
Pickup-Ionen entstehen, wenn neutrale Partikel, die durch die Heliosphäre treiben, ionisiert werden — etwa durch solare UV-Strahlung, Ladungsaustausch oder Kollisionen — und dann vom Sonnenwind aufgenommen werden. Nach der Ionisierung werden diese Teilchen durch die vorherrschenden elektrischen und magnetischen Felder beschleunigt und bilden charakteristische Verteilungen im Geschwindigkeitsraum, die sich von thermischen Sonnenwindprotonen und -elektronen unterscheiden.
In den MMS-Beobachtungen zeigten PUIs eine typische nichtthermische Geschwindigkeitsverteilung und es war gleichzeitig kein anderes ausgeprägtes energetisches Ionen- oder Elektronenpopulation vorhanden. Die von MMS aufgezeichneten Magnetfeldschwankungen entsprachen theoretischen Vorhersagen für durch solche nichtthermischen Ionen getriebene Wellen, was auf eine direkte Kopplung zwischen PUIs und Wellen im Sonnenwind in Erdnähe hinweist.
Dr. Starkey äußerte sich zu den Folgen: "Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass PUIs tatsächlich Wellen im Sonnenwind nahe der Erde erzeugen können und unterstreichen die Notwendigkeit weitergehender statistischer Untersuchungen dieser Prozesse. Es ist möglich, dass PUIs eine größere Rolle bei der Erwärmung und Thermalisation des Sonnenwinds in Erdnähe spielen als bisher angenommen, was erhebliche Folgen für Modelle des Sonnenwinds in der gesamten Heliosphäre hätte."
Modellierung, Einschränkungen und heliosphärische Konsequenzen
Die Forscher modellierten verschiedene Ionenpopulationen (Kern des Sonnenwinds, Helium-PUIs, Wasserstoff-PUIs), um zu ermitteln, welche Komponenten die beobachtete Wellenaktivität anregen könnten. Die Modellierung zeigt, dass Helium- und/oder Wasserstoff-PUIs wahrscheinliche Quellen sind, jedoch verhinderten Instrumentensensitivitäten und Grenzen bei der Unterscheidung der Spezien eine eindeutige Identifikation der spezifischen Ionensorte in diesem Ereignis.
Weiter vom Sonnenzentrum entfernt nimmt die relative Dichte der PUIs zu, und ihre Rolle bei der Wellenentstehung, Plasmaspaltung und Thermalisation wird bedeutender. In der äußeren Heliosphäre tragen PUIs spürbar zum dynamischen Druck des Sonnenwinds bei und beeinflussen Prozesse an der Terminationsschockfront und innerhalb des Heliosheaths. Wenn PUIs, wie die MMS-Beobachtungen nahelegen, auch näher an der Erde wirkungsvoll sind, müssten aktuelle Modelle zur Entwicklung des Sonnenwinds und Vorhersagen zum Weltraumwetter möglicherweise angepasst werden, um PUI-getriebene Wechselwirkungen zwischen Wellen und Teilchen zu berücksichtigen.
Kontext der Mission und Instrumentierung: MMS besteht aus vier tetraedrisch angeordneten Raumfahrzeugen, die hochzeitauflösende Magnetometer und Teilcheninstrumente tragen, um kleinräumige Rekonnektion und Plasmaprozesse aufzulösen. Obwohl die Mission für Studien der Magnetosphäre optimiert ist, ermöglichte ihre Empfindlichkeit die neue Entdeckung PUI-getriebener Wellen im vorgelagerten Sonnenwind.
Expertinnen- und Experteneinschätzung
Dr. Elena Morales, Astrophysikerin mit Schwerpunkt heliosphärisches Plasma an der University of Colorado, gab dazu eine Einschätzung: "Dieses Ergebnis erinnert eindrücklich daran, dass selbst Teilchenpopulationen geringer Dichte die Plasmadynamik durch Wellengenerierung prägen können. Zu bestätigen, wie häufig PUIs in Erdnähe Wellen antreiben, wird uns sagen, ob wir die für die Weltraumwettervorhersage verwendeten Modelle überarbeiten müssen."
Das Team fordert erweiterte statistische Untersuchungen mithilfe von MMS und ergänzenden Missionen (z. B. Parker Solar Probe, Solar Orbiter), um das Auftreten von PUIs, deren Artenzusammensetzung und ihre Rolle bei wellen- und teilchengetriebener Erwärmung in Abhängigkeit vom heliozentrischen Abstand zu kartieren.
Fazit
Die MMS-Beobachtungen liefern den ersten direkten Nachweis, dass Pickup-Ionen in der Lage sind, Wellenaktivität im Sonnenwind nahe der Erde zu erzeugen. Obwohl PUIs in Erdnähe relativ dünn verteilt sind, könnte ihre Fähigkeit, Wellen anzutreiben und zur Plasmain erwärmung beizutragen, Aktualisierungen von Modellen des Sonnenwinds und des Weltraumwetters erforderlich machen. Fortgesetzte Mehrraumfahrtbeobachtungen und gezielte Modellierungen sind notwendig, um das Vorkommen und die Auswirkungen von PUIs in der gesamten Heliosphäre zu quantifizieren.
Quelle: scitechdaily
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