Wenn Schallwellen durch die Ringe des Saturn ziehen

Bochumer Forscher beschäftigen sich mit sogenannten "staubigen Plasmen"

Bochum - Staubige Plasmen kommen im Weltraum häufig vor - ein schönes Beispiel sind die Ringe des Saturn. Solche Plasmen bestehen üblicherweise aus Elektronen, positiv geladenen Ionen, neutralen Atomen und Staubkörnchen, die negativ oder positiv geladen sind. Nur in Plasmen mit solchen Staubkörnern können Schallwellen entstehen - die sogenannten Staub-Schallwellen. Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben ein Modell publiziert, das erklärt, wie nichtlineare Schallwellen in staubigen Plasmen entstehen.

Staub-Schallwellen mit großen Amplituden interagieren miteinander. Dabei entstehen neue Wellen mit neuen Frequenzen. Durch die Entstehung von Harmonischen (also Wellen mit Frequenzen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Ausgangsfrequenz sind) und durch konstruktive Interferenz können sich die Wellen zu einzelnen Pulsen ("Spikes") entwickeln oder zu Schockwellen. Die Einzelpulse treten auf, wenn Nichtlinearitäten bei der Entstehung der Harmonischen mit der Zerstreuung der Welle im Lauf der Zeit zusammenspielen. Schockwellen bilden sich hingegen, wenn die Zähflüssigkeit des Staubs stärker ist als die Zerstreuung der Welle. Das passiert bei hohen Staubdichten, wenn die Staubpartikel so nah zusammenkommen, dass sie interagieren und mit Nachbarpartikeln kollidieren.

Vor über zwei Jahrzehnten sagte der in Bochum tätige Forscher Padma Kant Shukla theoretisch lineare und nichtlineare Schallwellen in staubigen Plasmen voraus. Viele Laborexperimente haben die Theorie seither bestätigt. Das Modell von Padma Kant Shukla und seinem Bochumer Kollegen Bengt Eliasson erklärt die Beobachtungen aus früheren Experimenten von drei verschiedenen internationalen Arbeitsgruppen. Die Forscher hatten die Existenz von Einzelpulsen und Schockwellen mit großen Amplituden bei Entladungen von Tieftemperaturplasmen beschrieben. Mit dem neuen Modell lässt sich aus der Weite der Schockwelle die Zähflüssigkeit des Staubes bestimmen. "Unsere Ergebnisse sind auch wichtig, um den möglichen Mechanismus zu verstehen, der der Clusterbildung von Staubkörnern in Planeten und Regionen sich bildender Sterne zugrunde liegt", sagt Shukla. (red, derStandard.at, 20. 10. 2012)

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