Modellierung der Plasmaumgebung von Himmelskörpern
Sämtliche Planeten unseres Sonnensystems werden von einem dünnen Gas umströmt, dem so genannten Sonnenwind. Der Sonnenwind wird permanent von der Sonne emittiert und besteht aus ionisiertem Wasserstoff, d.h. die Elektronen sind nicht an die Wasserstoffatome gebunden und können sich frei von ihnen bewegen. Der die Erde umströmende Sonnenwind erreicht Geschwindigkeiten von über eine Millionen km/h und ist im unteren Bild anhand einer Zeichnung dargestellt.
© NASA
Im Gegensatz zu einem neutralen Gas wie z.B. Luft wechselwirkt ein ionisiertes Gas mit elektromagnetischen Feldern. Deswegen weist ein ionisiertes Gas deutlich komplexere Eigenschaften als ein neutrales Gas auf und wird oft als "vierter Aggregatzustand" oder auch als "Plasma" bezeichnet. Auf der Erde tritt Plasma u.a. in From von Polarlichtern, Blitzen, Kerzenflammen oder auch in Leuchtstoff- lampen auf. Das in dem rechten Bild dargestellte Plasma befindet sich innerhlab einer Glasröhre und wird durch äußere Magnetfelder deformiert.
Ähnlich wie die Teilchen eines gewöhnlichen Gases verhalten sich die Teilchen eines Plasmas kollektiv, d.h. die Bewegung jedes Teilchens wird stark durch umgebene Teilchen beeinflusst. Aus diesem Grund lässt sich ein Plasma oft als ein "Fluid" beschreiben.
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Während Fluide wie Luft und Wasser anhand der "Hydrodynamik" beschrieben werden, sind Plasmen anhand der "Magneto - Hydrodynamik" (MHD) zu modellieren, um der Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern Rechnung zu tragen. Ein Plasma entspricht damit einem hoch leitfähigem Fluid. Die Animation links zeigt eine MHD Simulation der Wechselwirkung des Erdmagnetfeldes mit dem Sonnenwind.
Die Beschreibung eines Plasmas als Fluid bietet jedoch nur dann eine adäquate Näherung, wenn benachbarte Teilchen sich ähnlich Verhalten und sich damit eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit definieren lässt. Häufig spielt aber gerade die individuelle Teilchenbewegung eine wichtige Rolle. So bewegen sich Ionen und Elektronen in Magnetfeldern auf kreisförmige Bahnen. Diese kreisförmige Bewegung wird als "Gyration" bezeichnet. Ist der Radius der Gyration vergleichbar mit dem Radius des umströmten Planeten, versagt die fluidale Beschreibung und das Verhalten der Einzelteilchen gewinnt an Bedeutung. Da der Gyrationsradius von der Masse der Teilchen abhängt, gyrieren die leichteren Elektronen mit etwa 1000mal kleineren Radien als Ionen. Im unteren Bild ist schematische der Gyrationsradius eines Ions und eines Elektrons dargestellt (nicht maßstabsgetreu). Der Radius des Saturn Mondes Titan ist vergleichbar mit dem Gyrationsradius der Ionen, weswegen die Ionen der Plasmaumgebung von Titan als Einzelteilchen zu modellieren sind. Die Gyrationen der Elektronen findet dagegen verglichen mit der Größe von Titan auf sehr kleinen Radien statt. Damit stellt die Modellierung der Elektronen als Fluid eine adäquate Näherung dar.
Unser Simulationscode A.I.K.E.F. ist zur modellierung von Objekten geeignet, deren Radius deutlich größer ist als der Gyrationsradius der Elektronen aber vergleichbar mit dem Gyrationsradius der Ionen. Solche Objekte sind z.B. die Planeten Merkur, Mars und Venus sowie der Erdmond und zahlreiche Monde von Jupiter und Saturn wie z.B. auch Titan. In diesem Fall ist die Beschreibung der Elektronen als Fluid angemessen, während die Ionen als Einzelteilchen d.h. kinetisch zu beschreiben sind. Daher die Namensgebung A.I.K.E.F.: Ion Kinetic Elektron Fluid. Die Kombination aus Kinetischem und Fluid - Modell wird auch allgemein als Hybrid-Modell bezeichnet. Die Bedeutung von A=Adaptive wird im folgenden Abschnitt erläutert.