Der Klang der Saturnringe: RUB-Physiker erklären nichtlineare Schallwellen in staubigen Plasmen

Staubige Plasmen sind zahlreich im Weltall und im Labor. Sie kommen unter anderem in den Saturnringen vor. Aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften können sich in ihnen spontan Schallwellen ausbreiten, so wie in der Luft.

Die RUB-Physiker Prof. Dr. Dr. h.c. Padma Kant Shukla und Dr. Bengt Eliasson haben ein Modell publiziert, das erklärt, wie nichtlineare Schallwellen in staubigen Plasmen entstehen. Die Forscher der Fakultät für Physik und Astronomie berichten in der Zeitschrift Physical Review E.

Unterschiedliche akustische Phänomene in staubigen Plasmen

Staubige 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. Die Trägheit der massereichen Staubkörner ist für ihre Entstehung entscheidend. Der Druck der heißen Elektronen und Ionen des Plasmas liefert die Rückstellkraft, die die Plasmateilchen in Schwingungen versetzt und dafür sorgt, dass sich die Schallwelle ausbreitet. Zahlreiche Experimente offenbarten kürzlich nichtlineare akustische Wellen mit extrem großen Amplituden in staubigen Plasmen, nämlich einzelne akustische Pulse und Schockwellen. Padma Shukla und Bengt Eliasson haben jetzt eine Theorie entwickelt, die beschreibt, unter welchen Umständen nichtlineare Schockwellen und Pulse in staubigen Plasmen auftreten.

Mit sich selbst interagierende Schallwellen

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.

Theorie erklärt experimentelle Daten

Die neue Shukla-Eliasson-Theorie erklärt die Beobachtungen aus Experimenten von drei verschiedenen Arbeitsgruppen in den Vereinigten Staaten (Robert Merlino), Taiwan (Lin I) und Indien (Predhiman Kaw). 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“, erklärt Prof. Padma Shukla.

Existenz von Schallwellen in staubigen Plasmen vor mehr als zwei Jahrzehnten vorhergesagt

Vor über zwei Jahrzehnten sagte Prof. Shukla theoretisch lineare und nichtlineare Schallwellen in staubigen Plasmen voraus. Viele Laborexperimente haben die Theorie seither bestätigt. Die Entdeckung der Schallwellen hat die Plasmaphysik verändert und ein neues interdisziplinäres Forschungsfeld zum Vorschein gebracht an der Schnittstelle zwischen Astrophysik und der Physik der kondensierten Materie.

APS-Mitgliedschaft für die Beiträge zu „computational physics“ und zur nichtlinearen Plasmaphysik

Für seine entscheidenden Beiträge zur nichtlinearen Plasmaphysik und zu „computational physics” wurde Dr. Bengt Eliasson im September 2012 zum Mitglied der American Physical Society (APS) gewählt –eine große Auszeichnung durch die Forscherkollegen. Die APS nimmt jährlich weniger als ein Prozent neue Mitglieder auf, bezogen auf die aktuelle Mitgliederzahl. Bengt Eliasson erlangte einen Masterabschluss in Engineering Physics an der Universität in Uppsala, Schweden, wo er sich auch in Numerischer Analysis promovierte. Seit 2003 arbeitet er an der Ruhr-Universität Bochum in Prof. Shuklas Labor. Seine Beiträge zu verschiedenen Bereichen der Astro- und Plasmaphysik reichen von Simulationen der Erd-Ionosphäre im großen Maßstab bis hin zu numerischen Modellen von Quantenplasmen. Die Ergebnisse seiner Forschungsprojekte veröffentlichte Eliasson in etwa 150 wissenschaftlichen Artikeln. Er wurde unter anderem zu Vorträgen zur European Geophyiscal Union, European Physical Society, American Physical Society sowie zum International Congress of Plasma Physics eingeladen.

Titelaufnahme

P. K. Shukla, B. Eliasson (2012): Nonlinear dynamics of large-amplitude dust acoustic shocks and solitary pulses in dusty plasmas, Physical Review E, doi: 10.1103/PhysRevE.86.046402

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dr. h.c. Padma Kant Shukla, RUB International Chair, Fakultät für Physik und Astronomie, Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23759
ps@tp4.rub.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler

Media Contact

Dr. Josef König idw

Weitere Informationen:

http://www.ruhr-uni-bochum.de/

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