Übergang von schwacher zu starker Turbulenz entdeckt

Auf dem Weg zur Vereinheitlichung des Turbulenzrahmens…

Astrophysiker der Universität Potsdam haben das letzte Rätsel der magnetohydrodynamischen Turbulenztheorie gelöst, indem sie mit einer neu entwickelten Methode den Übergang von schwacher zu starker Turbulenz im Weltraumplasma um die Erde beobachtet haben. Ihre wegweisende Arbeit wurde heute im Fachjournal „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Turbulenz ist in der Natur allgegenwärtig. Sie existiert in unserem täglichen Leben genauso wie im fernen Universum und ist von Richard Feynman als „das letzte große ungelöste Problem der klassischen Physik“ bezeichnet worden. Prof. Dr. Huirong Yan und ihre Arbeitsgruppe vom Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam entdeckten jetzt ein lang vorhergesagtes Phänomen: den Übergang von schwachen zu starken Plasmaturbulenzen im Weltraum. Sie wurden bei der Analyse von Daten der Cluster-Mission darauf aufmerksam – einer Weltraummission der ESA, bestehend aus einer Konstellation von vier Raumsonden in der Erdumlaufbahn, welche erforschen, wie Sonne und Erde interagieren.

Der Übergang von schwacher zu starker Alfvénischer Turbulenz ist die kritischste, bisher durch Beobachtungen nicht bestätigte Vorhersage der magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenztheorie der letzten drei Jahrzehnte. Sie ist besonders schwierig, weil die dreidimensionale Abtastung von Turbulenzänderungen bisher nicht möglich war. Daher entwickelte das Forschungsteam neue Analysemethoden, um dreidimensionale Informationen über Geschwindigkeits- und Magnetfeldänderungen zu erhalten und damit Beobachtungen und theoretische Vorhersagen vergleichen zu können.

„Die beobachtete Bestätigung des Übergangs von schwacher zu starker Turbulenz löst nun das letzte Rätsel der MHD Turbulenztheorie: Sie belegt, dass sich die Turbulenz unabhängig von anfänglichen Störungen während der Energiekaskade mit zunehmender Nichtlinearität von linearen wellenförmigen 2D-Fluktuationen zu starker 3D-Turbulenz selbstorganisiert, was die Allgemeingültigkeit der starken MHD Turbulenz unterstreicht“, sagt Huirong Yan, Professorin für Plasma Astrophysik an der Universität Potsdam und Gruppenleiterin am DESY.

Im Ergebnis vertiefen diese Erkenntnisse unser Wissen über die Turbulenz erheblich. Ihre Auswirkungen erstrecken sich über die Untersuchung der Turbulenz selbst hinaus auf Teilchentransport und -beschleunigung, auf Strukturänderungen von Magnetfeldern, auf die Sternentstehung und alle anderen relevanten physikalischen Prozesse von unserer Erde bis zum fernen Universum.

Link zur Publikation: Siqi Zhao, Huirong Yan et al., 2024, Identification of the weak-to-strong transition in Alfvénic turbulence from space plasma, Nature Astronomy, https://www.nature.com/articles/s41550-024-02249-0

Abbildung: Künstlerische Darstellung der Turbulenzwirbel in der Magnetosphäre der Erde von großen zu kleinen Skalen. Eine zunehmende Helligkeit zeigt eine steigende Nichtlinearität an. Bildrechte: Siqi Zhao & Huirong Yan

Kontakt:
Prof. Dr. Huirong Yan, Institut für Physik und Astronomie, Universität Potsdam (UP) und Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
Tel.: 0331 977 2178
E-Mail DESY: huirong.yan@desy.de
E-Mail UP: huirong.yan@uni-potsdam.de

Medieninformation 12-04-2024 / Nr. 023
Dr. Stefanie Mikulla

Universität Potsdam
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