Sonneneruptionen, die größten bekannten Explosionen im Sonnensystem, werden durch einen Prozess namens „magnetische Wiederverbindung“ ausgelöst, der im Plasma auftritt. Plasma ist eine Form von überhitztem Gas, das so energetisiert wird, dass seine Atome auseinanderbrechen und eine Suppe aus positiv geladenen Ionen und negativ geladenen Elektronen bilden, die äußerst empfindlich auf Magnetfelder reagiert. Eine Wiederverbindung tritt auf, wenn die Geometrie eines Magnetfelds im Plasma neu angeordnet wird, weil die Feldlinien zu nahe beieinander liegen. Um eine neue Konfiguration anzunehmen, brechen Feldlinien und verbinden sich wieder – und setzen dabei einen Teil der gespeicherten Energie des Feldes als Wärme und kinetische Energie frei, wodurch Partikel entlang der Feldlinien ausströmen.
Plasma ist zwar auf der Erde selten, aber im Universum weit verbreitet, und es ist bekannt, dass magnetische Wiederverbindung an verschiedenen Orten von Schwarzen Löchern bis zum erdnahen Weltraum und auf der Sonnenoberfläche auftritt.
Bei der Art der Wiederverbindung, die Sonneneruptionen auslöst, handelt es sich um „kollisionsfreie“ Plasmen, in denen, wie der Name schon sagt, die Teilchen so verteilt sind, dass sie nicht kollidieren.
Der Vorgang ist zudem besonders schnell und wird daher als „Fast Reconnection“ bezeichnet.
Wie die Astrophysikerin Dr. Barbara Giles vom Goddard Space Flight Center der NASA in Maryland erklärt: „Wir wissen seit einiger Zeit, dass eine schnelle Wiederverbindung mit einer bestimmten Rate erfolgt, die ziemlich konstant zu sein scheint.
„Aber was diese Rate wirklich antreibt, war bisher ein Rätsel.“
In ihrer Studie stellen der Physiker Professor Yi-Hsin Liu vom Dartmouth College in New Hampshire und seine Kollegen von der Magnetospheric Multiscale Mission der NASA eine Theorie vor, um diese konsistente Wiederverbindungsrate zu erklären – eine Theorie, die auf einem gemeinsamen magnetischen Phänomen beruht.
Dieses Phänomen, der „Hall-Effekt“, beinhaltet die Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und elektrischen Strömen und beschreibt, wie Ladungsträger in einem Leiter wie Plasma durch das Vorhandensein eines Magnetfelds beeinflusst werden können.
Der Hall-Effekt wird in Haushaltsgeräten wie Sensoren genutzt, die Antiblockiersysteme in Fahrzeugen takten, solche, die erkennen, wenn die Klappabdeckung eines Telefons geschlossen ist, und sogar solche, die den Betrieb von 3D-Druckern ermöglichen.
Laut dem Team hören die geladenen Ionen und Elektronen im Plasma während der schnellen magnetischen Wiederverbindung auf, sich als Gruppe zu bewegen, und beginnen sich einzeln zu bewegen.
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In ihrer Studie stellen der Physiker Professor Yi-Hsin Liu vom Dartmouth College in New Hampshire und seine Kollegen von der Magnetospheric Multiscale Mission der NASA eine Theorie vor, um diese konsistente Wiederverbindungsrate zu erklären – eine Theorie, die auf einem gemeinsamen magnetischen Phänomen beruht.
Dieses Phänomen, der „Hall-Effekt“, beinhaltet die Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und elektrischen Strömen und beschreibt, wie Ladungsträger in einem Leiter wie Plasma durch das Vorhandensein eines Magnetfelds beeinflusst werden können.
Der Hall-Effekt wird in Haushaltsgeräten wie Sensoren genutzt, die Antiblockiersysteme in Fahrzeugen takten, solche, die erkennen, wenn die Klappabdeckung eines Telefons geschlossen ist, und sogar solche, die den Betrieb von 3D-Druckern ermöglichen.
Laut dem Team hören die geladenen Ionen und Elektronen im Plasma während der schnellen magnetischen Wiederverbindung auf, sich als Gruppe zu bewegen, und beginnen sich einzeln zu bewegen.
Dadurch entsteht der Hall-Effekt, der am Wiederverbindungspunkt ein instabiles Energievakuum erzeugt, das dann dank des Drucks der Magnetfelder implodiert und immense Energiemengen mit einer vorhersehbaren Geschwindigkeit freisetzt.
Prof. Liu, stellvertretender Leiter des MMS-Theorie- und Modellierungsteams, sagte: „Wir verstehen endlich, was diese Art der magnetischen Wiederverbindung so schnell macht.
“Wir haben jetzt eine Theorie, um es vollständig zu erklären.”
Die Magnetospheric Multiscale Mission der NASA wird diese Theorie in den kommenden Jahren testen, indem sie ihre vier speziell entwickelten Satelliten verwendet, die die Erde in einer tetraedrischen Formation umkreisen, um die Wiederverbindung zu untersuchen, und zwar mit einer höheren Auflösung, die auf der Erde möglich wäre.
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Dadurch entsteht der Hall-Effekt, der am Wiederverbindungspunkt ein instabiles Energievakuum erzeugt, das dann dank des Drucks der Magnetfelder implodiert und immense Energiemengen mit einer vorhersehbaren Geschwindigkeit freisetzt.
Prof. Liu, stellvertretender Leiter des MMS-Theorie- und Modellierungsteams, sagte: „Wir verstehen endlich, was diese Art der magnetischen Wiederverbindung so schnell macht.
“Wir haben jetzt eine Theorie, um es vollständig zu erklären.”
Die Magnetospheric Multiscale Mission der NASA wird diese Theorie in den kommenden Jahren testen, indem sie ihre vier speziell entwickelten Satelliten verwendet, die die Erde in einer tetraedrischen Formation umkreisen, um die Wiederverbindung zu untersuchen, und zwar mit einer höheren Auflösung, die auf der Erde möglich wäre.
Dr. Giles sagte: „Letztendlich können wir Ereignisse, die uns auf der Erde treffen können, wie geomagnetische Stürme und Sonneneruptionen, besser vorhersagen, wenn wir verstehen können, wie die magnetische Wiederverbindung funktioniert.“
Die Energie von Sonneneruptionen kann Übertragungen in der oberen Atmosphäre stören – wodurch beispielsweise die von GPS-Satelliten gesendeten Signale abgeworfen werden.
Der Astrophysiker fügte hinzu: „Und wenn wir verstehen können, wie die Wiederverbindung initiiert wird, wird dies auch der Energieforschung helfen, weil Forscher Magnetfelder in Fusionsgeräten besser kontrollieren könnten.“
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Communications Physics veröffentlicht.