Detektion der Wellenkopplungskaskade im Weltraumplasma
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für ein Weltraumplasma besteht die Vorstellung, dass Wellen großer Amplitude wie etwa die einer Alfvén-Welle in verschiedene lineare oder nichtlineare Moden durch eine Welle-Welle-Kopplung - auch genannt parametrische Instabilität - zerfallen. Ursächlich bedingt sind derartige Kopplungen durch die intrinsischen Nichtlinearitäten des Plasmas und der Dynamik des Magnetfeldes. Die Erarbeitung des Verständnisses der Welle-Welle-Kopplung im Weltraumplasma in voller drei-dimensionaler Ausprägung und ihr Vergleich mit Beobachtungen von Wellen und turbulenten Feldern in diesem Plasma waren die beiden zentralen Zielstellungen des Projektes. Die Signifikanz der Dreidimensionalität war eine Schlüsselfrage, und die qualitativen Unterschiede zu niederdimensionalen Betrachtungen insbesondere zu den verbreiteten eindimensionalen Simulationen wurden herausgearbeitet. Innerhalb der ersten Zielstellung wurde die Welle-Welle-Kopplung großamplitudiger Alfvén-Wellen erstmals systematisch numerisch untersucht. Wesentliches numerisches Werkzeug war der bewährte hybride Simulationscode AIKEF. Die Simulationen wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Augenmerk galt dem Vergleich der Ergebnisse für unterschiedliche räumliche Dimensionen und für ein variirendes Plasma-beta. Im Detail wurden die Wellenkopplungs-Muster und die Effizienz der Ionen-Heizung durch die Wellen studiert und soweit möglich mit analytischen Erwartungen verglichen. Ein Glanzlicht innerhalb der Entdeckungen dieses Projektes ist die Mehr-Kanal-Wellen-Kopplung, d.h. Welle-Welle-Kopplungen treten für verschiedene Kopplungspaare simultan auf. Die Mehr-Kanal-Wellen-Kopplungen werden nicht nur parallel, schräg und senkrecht zum mittleren Magnetfeld beobachtet, sondern symmetrisch in azimutaler Richtung um das mittlere Magnetfeld herum. Die Mehr-Kanal-Wellen-Kopplungen treten bei unterschiedlichen parametrischen Instabilitäten auf, wie bei der Zerfalls-Instabilität mit Kopplung parallel zum mittleren Magnetfeld und der Filament-Bildung mit Kopplung senkrecht zum mittleren Magnetfeld. DieWelle-Welle-Kopplungsmuster schöpfen somit die Dreidimensionalität voll aus und generieren alle möglichen Tochter-Wellen, die sich schließlich zur Turbulenz entwickeln. Die Mehr-Kanal-Wellen-Kopplung im dreidimensionalen Plasma wurde als effizienter Weg zur Heizung der Ionen nachgewiesen, die im niedrigdimensionalen Plasma (einund zweidimensional) weit weniger ausgeprägt ist. Die parametrischen Instabilitäten können somit die Heizung der Sonnenwind-Ionen qualitativ erklären. Innerhalb der zweiten Zielstellung erwies sich die Datenqualität der MMS-Mission (Magnetospheric Multiscale) als nicht ausreichend, um Wellen-Kopplungs-Studien vorzunehmen. Der Teilchendetektor ist hauptsächlich für das magnetosphärische Plasma konzipiert und weniger für den Sonnenwind bzw. Plasmen stromaufwärts von Stoßwellen. Als Ersatz-Maßnahme wurden daraufhin Cluster-Daten analysiert, um Evidenz für Welle-Welle-Kopplungen zu finden. Das Energiespektrum zeigt keine diskreten Linien, der Wellenvektor-Frequenz-Bereich ist kontinuierlich belegt. Die spektrale Form ist durch eine Doppler-Verschiebung resultierend aus der Relativbewegung zwischen dem Plasma und dem Raumschiff charakterisiert sowie durch Seitenbänder, die als Frequenzverbreiterung um die Dopplerverschiebung erscheinen. Für die Interpretation dieser Seitenbänder sind unterschiedliche Ansätze möglich. Ein Kandidat ist die Wellenpaket-Formierung. Eine Welle-Welle-Kopplung vermag die Seitenbänder jedoch ebenso zu erklären, denn es existieren zahlreiche lineare Wellenmoden (Whistler-Wellen, Ion-Bernstein-Wellen, kinetische Alfvén-Wellen, kinetische langsame magnetoakustische Wellen), die Welle-Welle-Kopplungen antreiben können. Somit kann ein Plasma in den Turbulenz-Zustand auch ohne die Wirkung von Nichtlinearitäten uiden Typs wie Wirbel oder Wirbelschleppen gelangen. Großamplitudige Wellen im Weltraumplasma haben die Fähigkeit Turbulenz über parametrische Instabilitäten anzutreiben. Die Verifikation durch Beobachtungen scheitert noch daran, eindeutige Signale von Welle-Welle-Kopplungen ausgelöst durch parametrische Instabilitäten zu identifizieren. Sehr wahrscheinlich entwickelt sich das Wellenfeld rasch in den turbulenten Zustand, und Beobachtungen wären nahe an der Quellregion der Pumpwelle notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ion-Scale Sideband Waves and Filament Formation: Alfvénic Impact on Heliospheric Plasma Turbulence, Front. Phys. 5, article ID 8., 2017
Yasuhito Narita, Uwe Motschmann
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Lifetime estimate for plasma turbulence, Nonlin. Processes Geophys., 24, 673–679, 2017
Yasuhito Narita and Zoltán Vörös
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On heating of solar wind protons by the parametric decay of large-amplitude Alfvén waves, Ann. Geophys., 36, 1647–1655, 2018
Horia Comişel, Yasuhiro Nariyuki, Yasuhito Narita, Uwe Motschmann
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Space-time structure and wavevector anisotropy in space plasma turbulence, Living Rev. Solar Phys., 15, 2, 2018
Yasuhito Narita
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Multi-channel coupling of decay instability in three-dimensional low-beta plasma, Ann. Geophys., 37, 835–842, 2019
Horia Comişel, Yasuhito Narita, Uwe Motschmann
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On perpendicular coupling of Alfvén waves in 3-D plasma, Earth, Planets Space, 72, article ID 32, 2020
Horia Comişel, Yasuhito Narita, Uwe Motschmann
