9. PLASMASTROMKREIS-INSTABILITÄTEN

9.1 EXPLODIERENDE DOPPELSCHICHTEN

Die   induzierte   Energie   eines   Stromkreises   ist   eine   Funktion   des   Stroms   und   des induktiven   Widerstandes.   Wenn   irgendein    Stromkreis   unterbrochen   wird,   zum   Beispiel durch   Öffnung   des   Schalters,   dann   wird   die   induzierte   Energie   des   Stromkreises   am Punkt   der   Unterbrechung   freigesetzt.   Dies   ist   wohlbekannt   genug,   um   regelmäßig   in elektrischen Ingenieurwissenschaften angewendet zu werden, wie dieser Artikel  zeigt.

Wenn   der   zugrunde   liegende   Strom   nach   der   Explosion   noch   anwesend   ist   ,   dann   kann   sich   der   Zyklus unbegrenzt   wiederholen.   Eine   DL   formt   sich,   der   Strom   steigt,   die   DL   explodiert   mit   nachfolgender   Emission   von großen Mengen an Strahlung, der Strom beginnt sich wieder aufzubauen und eine neue DL formt sich. Es    ist    offensichtlich,    dass    dieser    Verhaltenstyp    nicht    durch    Nutzung    feldbasierter    Modelle    beschrieben werden kann. Strombasierte Modelle sind notwendig, um dieses Niveau der Komplexität zu erfassen.

9.2 EXPANDIERENDE STROMKREISE

Die   Energie   eines   induktiven   Stromkreises   kann   auch   bei   einer   explosiven   Expansion   einer   Ladungsschleife freiwerden,   wegen   der   Kräfte,   die   durch   die   Stromschleife   selbst   erzeugt   werden.   Wir   haben   bereits   gesehen,   wie ein   axialer   Strom   eine   Einschnürung   [Pinch]   der   Magnetkraft   verursacht.   Die   entgegengesetzte   Situation   ist   eine Stromschleife,   welche   ein   axiales   Magnetfeld   erzeugt.   In   diesem   Fall   ist   die   resultierende   Kraft   I   x   B    radial   auswärts gerichtet. Wenn   der   Auswärtsdruck   nicht   durch   andere   Kräfte   ausbalanciert   wird,   dann   wird   die   Stromschleife   selber expandieren.   In   einem   metallischen   Leiter   wird   die   ausgleichende   Kraft   intern   durch   die   metallische   Gitterstruktur selbst   bereitgestellt.   In   einem   Plasma,   kann   es   eine   ungenügende   Hemmung   der   Ausbreitung   geben,   besonders wenn   die   induktive   Energie   des   Stromkreises   in   einem   kurzen   Zeitraum      wegen   des   Zusammenbruchs   einer   DL   im Stromkreis freigesetzt wird. Das   kann   zu   einer   Explosion   der   Stromschleife   führen,   wie   man   es   oft   in   solaren   Massenauswürfen   (CME) sieht,   wo   eine   Stromschleife   rapide   von   der   Oberfläche   der   Sonne   weg   expandiert.   Diese   einfache   Erklärung, basierend   auf   bekannten   elektrischen   Verhaltensweisen,   steht   in   Kontrast   zum   Gravitationsmodell,   welches   eine “magnetische    Rückverbindung”    der    Linien    der    Magnetkraft    beschwört.    Da    die    magnetischen    Feldlinien    im physikalischen   Sinne   nicht   existieren,   ebenso   wenig   wie   es   die   Linien   der   Breitengrade   gibt,   ist   es   nur   schwer einzusehen, wie sie “brechen” sollen, sich “wieder verbinden” und Energie freisetzen sollen.

Wenn    der    axiale    Strom    stark    genug    ist,    dann    können    die    Pinche    [Einschnürungen]    schließlich    völlig kollabieren.   In   diesem   Fall   wird   der   axiale   Strom   umgelenkt   in   einen   Ringstrom   in   den   eingeschnürten   Zonen   und donutförmige   Plasmoide   formen   sich   entlang   der   Linie   der   Filamente.   Wenn   die   Materie   sich   bereits   in   dem   Filament konzentriert   hat,   dann   wird   diese   Materie   entlang   der   Linie   des   feldausgerichteten   Stroms   verteilt   wie   Perlen   an einem Faden. Das könnte viele lineare Ausrichtungen von Körpern im Weltraum erklären.

Über   die   Darstellung   oben   wurden   blaue   “Höhenlinien”   entlang   der   Linien   der   größten   Filamentdichte   gelegt,   die im   infraroten   Wellenbereich   in   dieser   Region   zu   sehen   ist.   Eine   Übersicht   von   27   Filamentsegmenten   zeigte,   dass   die charakteristische   Filamentbreite   ~   0,1   Parsec   (1/3   Lichtjahr)   ist,   unabhängig   von   der   Länge.   Sternentstehungsgebiete und   protostellare   “Kerne”   wurden   bevorzugt   entlang   der   Gebiete   der   Höhenlinien   in   diesen   interstellaren   Filamenten gefunden. Die   Autoren    vermerkten,    “ wenn    eine    große    Turbulenz    einen    plausiblen    Mechanismus    für    die    Formung    der Filamente   bereitstellt,   dann   weist   der   Fakt,   dass   prästellare   Kerne   sich   in   gravitationsmäßig   instabilen   Filamenten bilden,   darauf   hin,   dass   Gravitation   ein   Hauptantreiber   in   der   folgenden   Entwicklung   der   Filamente   ist. ”   Der Ansatz   des EU   stellt   fest,   dass   viele   im   Weltraum   beobachtete   Plasma-Instabilitäten   auch   in   Plasma-Laboratorien   auf   der   Erde erzeugt   werden   können,   doch   solche   Mechanismen   werden   nur   selten   als   Erklärungsmechanismen   in   der   von   Experten begutachteten wissenschaftlichen Presse berücksichtigt. Eine   andere   Form   der   Instabilität   ist   die   Knoteninstabilität.   Diese   kommt   in   Birkeland-Strömen   am   häufigsten vor,   wo   der   Strom   am   externen   magnetischen   Feld   ausgerichtet   ist.   Der   Pinch   entwickelt   dann   eine   stark   spiralförmige Erscheinung.   Die   Wirkung   ist   eine   Versetzung   des   Stromzylinders   relativ   zur   Feldrichtung.   Das   kann   als   Schleife   im Strom erscheinen, wenn sie von einem bestimmten Winkel aus gesehen wird.

Eine stellare Explosion, Nova Cygni 1992, zeigt Effekte einer plötzlichen, großen

Energiefreisetzung durch einen Stern mit einem Plasma-Ring, der an den

turbulenten “Instabilitäts-Knoten” am hellsten strahlt. Der berechnete

Ringdurchmesser ist 154,5 Milliarden km oder 96 Milliarden Meilen – fast 6

Lichttage.

Bildquelle: NASA/Hubble Space Telescope, 1994

9.3 ANDERE FILAMENTÄRE INSTABILITÄTEN

Filamentäre   Ströme   sind   Ergebnis   einer   Pinchkraft,   wie   wir   gesehen   haben.   Jedoch   ist   der   einfache   Pinch unter   bestimmten   Umständen   selber   instabil.   Wenn   die   Pinchkraft   steigt   und   eine   Kontraktion   verursacht,   resultiert daraus   ein   weiterer Anstieg   der   Pinchkraft.   Das   Stromfilament   kann   so   stark   verengt   werden,   dass   es   eine   Serie   von Wülsten und Verengungen wie auf einem Faden aufgezogene Würste formt.

Foto einer experimentellen Plasma-Instabilität:

“Knoten kommen vor, wenn die zentrale Säule

genügend lang wird, um die

Instabilitätsbedingung zu erfüllen. Aus der

Präsentation “Simulating Asptrophysical Jets in

the Laboratory”.

Mit freundlicher Genehmigung Prof. Paul

Bellan, KTTP & Caltech

Der   Plasma-Physiker   Paul   Bellan   untersucht   mit   seinen   Doktoranden   der   CalTech   Plasma-Instabilitäten,   um   ein besseres    Verständnis    der    auf    der    Sonne    beobachteten    mächtigen    Phänomene    zu    bekommen.    Ein    kurzes    Video (mehrere   Frames   stellen   16,5   Mikrosekunden   der   Evolution   dar)   ist   hier    zu   sehen,   wie   in   seinem   und   der   Doktorantin Anna Mosers kürzlich erwähnten Artikel in Nature: Magnetic reconnection from a multiscale instability cascade .

9.4 PERATT-INSTABILITÄTEN

Jüngere    Forschungen    von    Anthony    Peratt,    wie    sie    in    den    IEEE-Journalen    und    anderen    akademischen Institutionen   berichtet   wurden,   haben   eine   Serie   von   hochenergetischen   Plasmaentladungen   identifiziert,   die   jetzt seinen Namen tragen. Hier  ist ein repräsentativer Artikel von Peratt und Van der Sluijs. Die   Peratt-Instabilitäten   sind   Erscheinungen   von   Plasmaentladungen,   welche   eindeutige   Formen   annehmen   und welche,   ungeachtet   ihres   Namens,   über   Zeitperioden   stabil   bleiben   können,   die   lang   genug   sind,   ihre   Beobachtung   zu ermöglichen.    In    einiger    Hinsicht    sind    sie    wie    DL,    welche    dynamische    “Instabilitäten”    sind,    die    hinsichtlich    ihrer örtlichen Lage unverändert bleiben können während sie schnelle Teilchenbewegungen beinhalten. Die    Peratt-Instabilitäten    nehmen    oft    die    Form    säulenförmiger    Plasmaentladungen    an,    welche    von    üppigen Plasmatori   umgeben   sind.   Die   oberen   und   unteren   Tori   können   sich   in   Tassen-   und   Glockenform   entwickeln.   [Tori, Plural   von   lat.   Torus,   dt.   Wulst,   haben   eine   Rettungsring-   oder   Donutform.]   Die   Ecken   der   Tori   verwinden   sich   oft aufwärts   und   abwärts.   Die   Zahl   der   Tori   kann   zwischen   drei   und   etwa   neun   variieren   und   kann   allem   von   einem   Kelch bis zu einer Leiter ähneln. Peratts   Untersuchung   der   Plasmaphänomene   über   viele   Größenordnungen   hat   ihn   dazu   geführt,   zu   vermuten, dass   die   in   der   relativ   jüngeren   Vergangenheit   geschaffene   Felskunst Aufzeichnungen   von   Sichtungen   von   bestimmten Plasmaentladungen   mit   ihren   charakteristischen   Instabilitäten   und   Formen   sind,   wie   in   einem   grafisch   verblüffenden IEEE-Artikel   ausgeführt   wird,   in   Characteristics   for   the   Occurence   of   a   High-Current   Z-Pinch   Aurora   as   Recorded   in Antiquity,  IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 31, No. 6, December 2003. Es   muss   hier   unterstrichen   werden,   dass   wahrscheinlich   keine   dieser   Formen   von   Plasma-Instabilitäten   auf   der Basis   von   Magnetfeldern   vorausgesagt   werden   könnte,   doch   Teilchen-in-Zelle-Computersimulationen   bringen   eben diese   Ergebnisse   hervor.   Einmal   mehr   sehen   wir,   dass   das   Verhalten   von   Plasma   oft   viel   zu   kompliziert   ist,   um   es mittels   magneto-hydrodynamischer   oder   MHD   Fluid-Gleichungen   zu   beschreiben.   Es   ist   notwendig,   die Analyse   auf   die Bewegungen der Teilchen zu stützen, das bedeutet, auf eine strombasierte Lösung. Des    weiteren    könnten    Plasma-Instabilitäten    stichhaltige    Mechanismen    bei    der    Erklärung    vieler    komplexer Wechselwirkungen   sein,   die   zur   Bildung   von   Sternen   und   Planetensystemen   führen,   sein,   ebenso   wie   für   energetische Phänomene, die auf und um Sterne herum beobachtet werden. Übersetzung H. Täger