Physik

Die Größenskalen des Universums verbinden

Im Mai 2024 erlebten viele Menschen ein in Deutschland seltenes Himmelsschauspiel. Bis in den Süden des Landes tanzten bunte Polarlichter über das abendliche Firmament. Nur bei besonders hoher Sonnenaktivität ist die Aurora bis in diese Breitengrade sichtbar. Hinter dem Lichtspektakel steckt der Sonnenwind, welcher kontinuierlich geladene Teilchen zur Erde transportiert. Die bunten Lichterscheinungen entstehen also durch Prozesse auf winzigen Größenskalen, nämlich durch die Wechselwirkung von energetischen Elementarteilchen in der Erdatmosphäre. Angetrieben wird die Aurora jedoch durch einen großskaligen Prozess, den Sonnenwind, der sich über Millionen von Kilometern durchs All ausbreitet. Genau hier setzt die Arbeit von Prof. Dr. Maria Elena Innocenti an.

Die Forscherin an der Ruhr-Universität Bochum entwickelt Computersimulationen, mit denen sich die Kluft zwischen den verschiedenen Skalen überbrücken lässt. „Prozesse auf der riesengroßen Skala und der winzigen Skala sind miteinander verbunden“, erklärt die Leiterin der Arbeitsgruppe Computerorientierte Plasmaphysik. „Wenn man die Physik wirklich verstehen will, kann man weder das eine noch das andere ignorieren. Manche sehr kleinskalige Prozesse wirken entscheidend auf das große System ein. Wir müssen also so viel Information wie möglich in unsere Computermodelle hineinbekommen.“

In einer Welt, in der Rechenleistung keine Rolle spielen würde, könnte man alle Teilchen, die zwischen Sonne und Erde unterwegs sind, simulieren und so ein präzises Abbild der realen Prozesse erstellen. In der Realität aber sind solch detaillierte Simulationen nur für kleine Ausschnitte des Gesamtsystems möglich. Alles andere würde selbst den leistungsstärksten Supercomputer an seine Grenze treiben.

Kleine und große Skalen in Simulationen verbinden

Daher denkt sich das Team von Maria Elena Innocenti Tricks aus, um klein- und großskalige Aspekte eines Systems in Simulationen zu verbinden. „Wir arbeiten zum Beispiel mit mehreren Modellen, die hierarchisch angeordnet sind“, erklärt die Forscherin. Ein Modell, das einen kleinskaligen Prozess repräsentiert, kann also in ein Modell eingebettet sein, das Prozesse auf anderen Größenskalen simuliert.

Um beim Beispiel der Aurora zu bleiben: Mit einem Modell, das großskalige Prozesse simuliert, kann man versuchen vorherzusagen, wann die Sonne besonders aktiv sein wird und wann Prozesse auftreten, die zu Polarlichtern führen können. „Das ist nicht nur interessant, weil Polarlichter schön anzusehen sind“, sagt Innocenti. „Sondern auch, weil Ereignisse, die durch die Sonnenaktivität ausgelöst werden, Kommunikationssysteme wie Satelliten stören können.“ In einem Projekt, welches das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt unterstützt, bringen die Bochumer Forschenden derzeit ihre Expertise ein, um die Simulation von Weltraumwetter-Ereignissen zu verbessern. Und zwar in der Magnetosphäre der Erde, also in dem Bereich um die Erde, wo das Magnetfeld des Planeten die Dynamik von Teilchen maßgeblich bestimmt.

Im Zusammenhang mit Prozessen, die die Magnetosphäre der Erde formen, interessiert sich Maria Elena Innocenti vor allem für ein Phänomen: die magnetische Rekonnexion. Dabei handelt es sich um einen der wichtigsten Energieumwandlungsprozesse im Weltraum: Magnetische Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt, das heißt, Teilchen werden erhitzt und beschleunigt.

Wo Magnetfelder aufeinanderprallen

Dieser physikalische Prozess tritt dort auf, wo Magnetfelder mit unterschiedlicher Ausrichtung gegeneinandergedrückt werden und sich verbinden, was sowohl auf der Tag- als auch auf der Nachtseite der Erde vorkommt. Der Sonnenwind, also der Strom geladener Teilchen, der auf die Erde einprasselt, besitzt ein eigenes Magnetfeld. Trifft das Magnetfeld des Sonnenwinds mit passender Ausrichtung auf das Magnetfeld der Erde, kommt es zur magnetischen Rekonnexion. „Tatsächlich wird die magnetische Rekonnexion durch großräumige Prozesse angetrieben“, sagt Innocenti. „Letztendlich läuft es jedoch auf die Bewegungsbahnen einzelner Elektronen und Protonen hinaus.“

Diese kleinskaligen Prozesse auf Elektronen-Ebene in der Tagseiten-Magnetosphäre wiederum bewirken auf der großen Ebene eine Reorganisation des Erd-Magnetfelds: Der Sonnenwind bläst die neu verbundenen Magnetfeldlinien in Richtung der Nachtseite der Erde. Dort werden sie zusammengedrückt und verbinden sich wieder, sodass es erneut zu magnetischer Rekonnexion kommt. Das Plasma hier erhitzt sich; energiereiche Teilchen werden beschleunigt und wandern entlang der Magnetfeldlinien zurück Richtung Erde. Dort treffen sie auf die Atmosphäre und können Polarlichter auslösen.

Simulationen basierend auf Weltraummissions-Daten

Einige Aspekte dieses Prozesses hat das Team um Maria Elena Innocenti in einer Reihe von Simulationen nachgebildet, die auf Supercomputern in Garching und Jülich liefen. Die Modelle zeigen, wie genau Energie aus dem magnetischen Feld in das Erhitzen und Beschleunigen von Teilchen überführt wird; und zwar in sogenannten First-principles-Simulationen, welche die Wechselwirkungen von Teilchen mit elektrischen und magnetischen Feldern nachbilden, ohne irgendwelche Annahmen vorauszusetzen. Auf diese Weise zeigte das Bochumer Team, wie die Prozesse auf Teilchenebene mit großskaligen Phänomenen zusammenhängen und letztendlich die Struktur des Erd-Magnetfelds bestimmen.

Alle in der Gruppe durchgeführten Simulationen werden auf der Grundlage von Daten aus Weltraummissionen initialisiert und anhand dieser Daten bewertet. Für die magnetosphärischen Simulationen greift das Team beispielsweise auf Daten aus der „Magnetospheric Multiscale“-Mission zurück, für Sonnenwind-Simulationen auf Daten des „Solar Orbiter“ oder der „Parker Solar Probe“, jener Mission, die der Sonne so nah kam wie nie zuvor.

Eine weitere interessante Mission deutet sich bereits an: Im November 2026 wird die offizielle Bestätigung der „Plasma Observatory Mission“ von der European Space Agency erwartet, die mit sieben identischen Raumschiffen die komplette Magnetsphäre der Erde erkunden soll. Die Mission soll gezielt so designt werden, dass sie die Brücke zwischen den kleinen und großen Skalen schlagen kann. Auf die Daten freut sich Maria Elena Innocenti bereits – sogar noch mehr, als wenn sie über Deutschland wieder Polarlichter sehen würde.