Forschung im HLRN-Verbund 2011

190Was passiert hinter dem Mond?Numerische Plasmasimulationen von HimmelskörpernU. Motschmann, H. Kriegel, S. Wiehle, Institut fürTheoretische Physik, TU BraunschweigKurzgefasst• Numerische Simulationen der Plasmaumgebungvon Himmelskörpern wie Planeten, Monden oderKometen• Analyse der auftretenden Strukturen und Effekte• Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messdatenvon Raumsonden der ESA und NASADie Arbeitsgruppe Numerische Plasmasimulation(NPS) der Technischen Universität Braunschweigsimuliert die Umgebung von Himmelskörpern, beispielsweiseMars, Venus, den Mond und den SaturnmondEnceladus. Diese Simulationen sind vonbesonderer Bedeutung: Raumfahrtorganisationenwie NASA und ESA organisieren etliche Raumfahrtmissionen,um die verbleibenden Geheimnissedieser Körper zu enthüllen. In den letzten Jahrenwar dies beispielsweise Venus Express zurVenus, Cassini-Huygens zum Saturn und dessenMonden und erst in diesem Jahr die ARTEMIS-Mission, die den Erdmond gleichzeitig mit zwei Satellitenerforscht. Neben Aufgaben wie der Erkundungder Oberfläche und inneren Struktur dieserKörper befinden sich Magnetometer und Teilchendetektorenan Bord, um die Wechselwirkung desumgebenden Plasmas mit dem jeweiligen Körperzu untersuchen. In den meisten Fällen ist diesesPlasma der Sonnenwind, ein von der Sonneausgehender Partikelstrom, der hauptsächlichaus Protonen und Elektronen besteht. Bei diesenMessungen sind Raumsonden jedoch einer grundlegendenEinschränkung unterworfen: Sie könnennur an ihrer aktuellen Position Messdaten sammelnund nur zu genau dem Zeitpunkt, zu dem siesich dort aufgehalten haben. Numerische Plasmasimulationensetzen an dieser Stelle an: Häufig basierendauf Original-Messwerten wird nicht nur einekleine Stelle, sondern die gesamte Umgebungdes Objekts simuliert. Dies ermöglicht beispielsweise,den Verlauf von Plasmastrukturen wie Bugstoßwellenaufzuzeigen oder auch, wie im Fallevon Enceladus, die Struktur der Ausgasungen desMondes durch Anpassung des Simulationsmodellsan die Daten zu ermitteln.Der Erdmond ist wegen der Schlichtheit seinerSonnenwind-Wechselwirkung ein scheinbar einfachzu simulierendes und zu verstehendes Objekt:Im Gegensatz zu anderen Körpern wie unsererErde verfügt er über kein intrinsisches Magnetfeld,ebenso fehlt ihm eine dichte Atmosphäre,die Sonnenwindteilchen schlagen daher direkt aufder Mondoberfläche auf und werden absorbiert.Durch diesen Effekt entsteht hinter dem Mond eineVakuumregion im sonst von Sonnenwind dominiertenWeltraum, die eine Ausdehung vom mehrerenTausend Kilometern hat, bis sie durch deneinströmenden Sonnenwind wieder aufgefüllt ist.Wir haben nun den Vorbeiflug eines der ARTEMIS-Satelliten hinter dem Mond simuliert, wofür wirerstmals eine Echtzeitsimulation des gesamtenVorbeifluges durchgeführt haben: Normalerweisewird eine Simulation bis zum Erreichen eines quasistationärenZustands gerechnet, dem Zeitpunktalso, an dem sich die ausgebildeten Plasmastrukturennicht mehr wesentlich ändern. Das Erreichendieses Zustands dauert meist nur wenige Echtzeit-Minuten, was nichtsdestotrotz mehreren hundertCPU-Stunden entspricht - je nach Situation auchdeutlich mehr. Bei der Simulation des Mondvorbeiflugstrat nun folgendes Problem auf: Das Magnetfelddes Sonnenwindes am Mond durchliefsehr starke Schwankungen, so dass aus der Messungallein nicht geklärt werden konnte, welche Effekteauf den Einfluss des Mondes und welche aufden Sonnenwind zurückzuführen sind. Daher habenwir den Vorbeiflug in seiner gesamten Dauervon zwei Stunden nachsimuliert, was etwa 100x soviel Rechenzeit benötigte wie eine übliche Simulation.Dadurch waren wir in der Lage, sonnenwindundmondbedingte Einflüsse zu separieren undneue Erkenntnisse über die Struktur dieser Vakuumregionzu gewinnen. Solche Resultate könnenauch in die weitere Planung der Sondenflugbahneneinbezogen werden, um beispielsweise in derSimulation entdeckte Effekte möglichst gut durchDaten bestätigen zu können[1].Im Gegensatz zum Erdmond, der sich meistim Sonnenwind befindet, bewegt sich der SaturnmondEnceladus in der Magnetosphäre des Saturns,so dass hier entsprechend das magnetosphärischePlasma betrachtet werden muss. Enceladuszeigt trotz seiner geringen Größe einzigartigekryovulkanische Aktivität: Vermutlich aufgrundeines Ozeans aus flüssigem Wasser unterhalbder Oberfläche gehen von der Südpolarregiongeysirartige Jets aus Wasserdampf und Eis aus,die den s.g. Plume bilden. Die Untersuchung diesesPlumes sowie seiner Wechselwirkung mit SaturnsMagnetfeld und Plasma ist eins der zentralenZiele der aktuellen NASA/ESA MissionCassini: Während bisher 14 naher Vorbeiflügekonnte eine große Menge an Daten gesam-Physik