// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Laserexperimente bilden die Rekonnexion von Sonneneruptionen nach
Bei magnetischer Rekonnexion wird gespeicherte Magnetfeldenergie in Plasmawärme und schnelle Strömungen umgewandelt. Ein Laserexperiment zeigt nun, dass die einheitenlose Rekonnexionsrate trotz deutlich veränderter Bedingungen des einströmenden Plasmas bei ähnlichen Werten lag. Damit stützen die Messungen die Idee, dass vor allem die lokale Physik der dünnen Stromschicht das Tempo bestimmt.
Fukuoka (Japan). Magnetische Rekonnexion gehört zu den wichtigsten Mechanismen für abrupte Energiefreisetzung in Plasmen. Dabei brechen gegensinnig gerichtete Magnetfeldstrukturen auf und verbinden sich neu, wodurch magnetische Energie in Wärme und gerichtete Teilchenbewegung übergeht. Solche Prozesse spielen unter anderem bei Sonneneruptionen und Störungen der irdischen Magnetosphäre eine zentrale Rolle.
Seit Jahren fällt auf, dass schnelle Rekonnexion in sehr unterschiedlichen Plasmen oft eine einheitenlose Rate um 0,1 erreicht. Warum dieser Wert so robust erscheint, ist aber nicht vollständig geklärt. Insbesondere war offen, wie stark das Tempo von den Bedingungen abhängt, mit denen Plasma und Magnetfeld in die Rekonnexionszone einströmen.
Forscher der Kyushu University um Taichi Morita haben diese Frage nun in einem kontrollierten Laborexperiment untersucht. Dazu nutzte das Team die Gekko-XII-Laseranlage in Osaka und richtete zwei Hochleistungslaser auf getrennte Stellen eines Kohlenstofftargets. So entstanden zwei expandierende Plasmawolken mit selbst erzeugten Magnetfeldern, die in der Mitte aufeinandertrafen.
Die Trennung der beiden Laserspots betrug entweder einen oder zwei Millimeter. Dadurch verlängerte sich im zweiten Aufbau die Expansion vor der Bildung der Stromschicht deutlich und die Zustände des zufließenden Plasmas unterschieden sich erheblich. Zur Diagnose verwendeten die Forscher eine zweidirektionale Laser-Thomson-Streuung, die aus gestreutem Laserlicht unter anderem Dichte, Temperatur und Strömung des Plasmas ermittelt.
„Unsere Studie liefert experimentelle Belege für die Robustheit des Prozesses der magnetischen Rekonnexion, indem sie zeigt, dass schnelle Rekonnexion trotz deutlich unterschiedlicher Bedingungen im einströmenden Plasma mit ähnlichen Raten ablaufen kann“, erklärt Taichi Morita.
Die veränderte Geometrie verschob vor allem den Zeitpunkt. Beim Abstand von zwei Millimetern setzte die Rekonnexion nach Angaben der Studie mehr als sechs Nanosekunden später ein als bei einem Millimeter. Sobald sich jedoch eine Stromschicht gebildet hatte, berechnete das Team für beide Konfigurationen Rekonnexionsraten von etwa 0,1 bis 0,2.
Diese Werte liegen in der Größenordnung der häufig diskutierten Rate von ungefähr 0,1. Zugleich fanden die Forscher bei beiden Startbedingungen vergleichbare Magnetfelder unmittelbar vor der Rekonnexionszone. Das spricht dafür, dass die großräumigen Einströmbedingungen den Startzeitpunkt beeinflussen können, während das anschließende Rekonnexionstempo stärker von lokalen Prozessen in der dünnen Stromschicht und ihrer unmittelbaren Umgebung abhängt.
Die Messungen erlaubten außerdem, die Energiebilanz abzuschätzen. Ein erheblicher Anteil der abgebauten magnetischen Energie ging in die Erwärmung der Ionen und weniger in die gerichtete Bewegung des Plasmas. Damit liefert das Experiment nicht nur einen Wert für die Rekonnexionsrate, sondern auch eine quantitative Vorgabe dafür, wie Modelle die Energieumwandlung reproduzieren sollten.
„Die in dieser Studie etablierten Messverfahren ermöglichen es nun, die Rate der magnetischen Rekonnexion und ihre Energieumwandlung quantitativ zu bestimmen“, erklärt Taichi Morita.