Was ist Weltraumgeophysik?

Der im Englischen verbreitet benutzte  Begriff "space physics", also "die Physik des (Welt-)Raums" wird am Besten mit "Weltraumgeophysik" übersetzt. Im engeren Sinn ist damit die Erforschung des (erdnahen) Weltraums gemeint, also vor allem die Erforschung der Erdmagnetosphäre und des Sonnenwinds. Im weiteren Sinn ist damit auch die Anwendung der im System Erde gelernten Erkenntnisse auf andere Planeten oder Monde zu verstehen, z. B. wie die Untersuchung der Wechselwirkung der Saturnmagnetosphäre mit dem Mond Titan. Magnetfelder und Plasmen sind die Hauptuntersuchungsgegenstände, daher ist der (extraterrestrischen) Plasmaphysik hier ein eigener Abschnitt gewidmet, mit der sich die Arbeitsgruppe von Prof. Joachim Saur eingehend beschäftigt.

Was ist Extraterrestrische Plasmaphysik?

Im täglichen Leben treffen wir im allgemeinen nur die drei Zustände fest, flüssig und gasförmig an. Der Plasmazustand ist selten zu beobachten etwa in technischen Konstruktionen wie Glühbirnen, Leuchtstoffröhren oder natürlichen Erscheinungen wie Blitzen. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß die Materie zum Teil oder auch vollständig zerlegt ist in geladene Teilchen wie negative Elektronen und zumeist positive Ionen. Ein solches Plasma wechselwirkt eng mit elektrischen und magnetischen Feldern und zeigt viele Phänomene, die für die anderen Aggregatzustände größtenteils unbekannt sind.

Wenn auch der Plasmazustand im täglichen Leben exotisch erscheint, ist er für den weitaus größten Teil der Materie des Universums der Normalzustand, ebenso für den größten Teil der Masse des Sonnensystems, wenn wir die Sonne selbst mitzählen. Aber selbst die nähere Umgebung der Planeten und ihrer Satelliten, der Asteroiden und Kometen sowie der interplanetare Raum zwischen den Planeten ist von Plasmen mit mannigfaltigen Eigenschaften erfüllt. Diese außerhalb und oberhalb der Erde gelegenen Plasmen kann man auch als extraterrestrische Plasmen bezeichnen und die Physik dieser Plasmen auch als Extraterrestrische Plasmaphysik im Gegensatz zur Laborplasmaphysik, wie man sie etwa bei Fusionsexperimenten untersucht.  Es handelt sich bei der Extraterrestrischen Plasmaphysik um ein sehr junges Arbeitsgebiet, dessen Anfänge etwa 70-80 Jahre zurückliegen und das erst mit der Erkundung des Weltraumes durch Raketen und ab 1957 durch Satelliten und Raumsonden einen enormen Aufschwung genommen hat. Plasmen in unserem Sonnensystem kann man oft nicht "sehen". Ausnahmen bilden Polarlichter und Kometenschweife. Die Abbildung zeigt als Beispiel eine Polarlichterscheinung wie sie in den polaren Breiten der Erde oft beobachtet wird. Instrumente zur experimentellen Erfassung von Plasmen sind Teilchendetektoren, Magnetfeldmeßinstrumente und Instrumente zur Messung elektrischer Felder.

Am Institut für Geophysik und Meteorologie der Universität zu Köln liegt das Schwergewicht einmal in der Erforschung des Plasmas des interplanetaren Raumes angefangen von der Sonnenkorona bis zur Grenze zum interstellaren Medium. Dazu dient die Datenauswertung von Magnetfelddaten, Plasmadaten und Radiosondierungsdaten von Missionen wie Ulysses, Helios, Wind und in Zukunft Phoenix, Cassini, und Rosetta etc. Diese Datenauswertung wird unterstützt durch theoretisch-numerische Modellrechnungen mit dem Ziel, die untersuchten Phänomene physikalisch zu verstehen.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung der Plasmaumgebung von Kometen etwa mit Hilfe der Daten der Raumsonden Giotto und in Zukunft Rosetta.

Schließlich ist ein dritter Schwerpunkt der Arbeitsgruppe das Problem der magnetisierten Plasmaumgebung der großen Planeten des Sonnensystems Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, die man auch als Magnetosphären bezeichnet. Speziell existiert im Institut eine Arbeitsgruppe, die sich mit der Plasmaströmung um die Satelliten der großen Planeten befaßt. Dabei wurden bisher intensiv die Galileischen Satelliten des Jupiter, insbesondere Io und Europa, untersucht sowie der große Saturnsatellit Titan sowie der Satellit Triton des Neptun. Angestoßen wurde die Arbeit durch die Planetenmission Voyager, und die Mission Cassini, bei denen das Institut an den Magnetfeldexperimenten usw. beteiligt ist.

In der Extraterrestrischen Plasmaphysik werden nichtalltägliche Zustände der Materie untersucht, die als Plasma kompliziertes, aber auch sehr interessantes Verhalten zeigen. Plasmen unseres Sonnensystems geben die einzigartige Möglichkeit, an Ort und Stelle in allen diagnostischen Feinheiten Vorgänge zu untersuchen, die anderswo im Kosmos nur über Fernerkundungsmethoden relativ grob erfaßt werden können. Im Labor lassen sie sich oft nur mit großen Störungen durch Wandeffekte untersuchen. Die extraterrestrischen Plasmen des Sonnensystems stellen daher einzigartige Labors dar, die die Natur zur Verfügung stellt.