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Veröffentlicht von:Gotthold Reichow Geändert vor über 10 Jahren
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Entstehung und Evolution des terrestrischen und solaren Magnetfeldes
Daniel Köhn Kiel, den
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Entstehung und Evolution des terrestrischen und solaren Magnetfeldes
Magnetfelder von Sonne und Erde Der Rikitake Dynamo Exkurs: Konvektion MHD-Gleichungen Dynamomodelle Glatzmaier-Roberts-Dynamo Solarer Dynamo Zusammenfassung
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Magnetfelder von Sonne und Erde
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Magnetfelder von Sonne und Erde
Magnetfeld der Sonne Im Bereich von Sonnenflecken B ~ 0.1 T Auf der übrigen Sonnenoberfläche B < 10-4 T
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Magnetfelder von Sonne und Erde
Magnetfeld der Sonne Häufigkeit von Sonnenflecken variiert zyklisch mit einer Periode von ca. 11 Jahren. Polaritätswechsel der Sonne nach jedem Sonnenfleckenzyklus 22-jähriger Magnetfeldzyklus (Hale-Zyklus)
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Magnetfelder von Sonne und Erde
Magnetfeld der Sonne Sonnenflecken sind entlang von zwei Gürteln, entlang des Äquators verteilt. Zwischen Minimum und Maximum wandern die Flecken Richtung Äquator
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Magnetfelder von Sonne und Erde
Magnetfeld der Sonne
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Magnetfelder von Sonne und Erde
Magnetfeld der Sonne Neben der gewöhnlichen Variabilität war die Aktivität teilweise erheblich geringer, z.B. Maunder-Minimum (~ ) Aus 14C-Untersuchungen geht hervor, daß die Sonne ca % ihrer „Lebenszeit“ in solchen Phasen (Dauer Jahre) verbracht hat.
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Magnetfelder von Sonne und Erde
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Magnetfelder von Sonne und Erde
Magnetfeld der Erde Die Erde besitzt einen dominanten Dipolanteil BD(R) ~ 3 * 10-5 T BR(R) ~ ¼ * BD q ~ 11°
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Magnetfelder von Sonne und Erde
Magnetfeld der Erde Nichtperiodische Umpolungen, im Mittel alle 5 * 105 Jahre. Nichtdipol-Anteil bewegt sich mit 0.18°/Jahr Richtung Westen
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Der Rikitake Dynamo Joseph Larmor: Dynamoeffekt: Mechanische Energie
wird in magnetische Energie umgewandelt. Beispiel: Scheibendynamo 50 Jahre später koppelte T. Rikitake zwei Scheibendynamos und auf diese Weise auch Umpolungen des Magnetfeldes erzeugen.
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Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht
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Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht
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Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht
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Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht
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Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht
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Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht
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Numerische Lösungen des Rikitake-Dynamos
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Chaotische Lösungen des Rikitake-Dynamos
Modell für den Geodynamo
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Periodische Lösungen des Rikitake-Dynamos
Modell für den Solaren Dynamo
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Einführung in die Hydrodynamik
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Einführung in die Hydrodynamik
Konvektion Dichte r
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Einführung in die Hydrodynamik
Konvektion
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Einführung in die Hydrodynamik
Konvektion Dichte r1 Dichte r2
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Einführung in die Hydrodynamik
Konvektion Aufsteigen Absinken
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Grundgleichungen der Hydrodynamik
Massenerhaltung: Impulserhaltung: Energieerhaltung: +Zustandsgleichung: + Randbedingungen
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Beispiel: 3D - Konvektion (Numerische Lösungen)
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Konvektion in rotierenden Flüssigkeiten
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Konvektion in rotierenden Flüssigkeiten
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Die MHD-Gleichungen
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Dynamomodelle Annahme eines plausiblen Strömungsfeldes V.
1. Kinematische Dynamo-Modelle Annahme eines plausiblen Strömungsfeldes V. Löse elektromagnetischen Anteil der MHD-Gleichungen Vernachlässige mechanischen Anteil Zerfällt das Magnetfeld ? Nein: Dynamo Ja: Modifiziere Strömungsfeld V
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Die magnetische Induktionsgleichung
1. Kinematische Dynamo-Modelle Die magnetische Induktionsgleichung Aus den Maxwell-Gleichungen und dem Ohmschen Gesetz folgt die magnetische Induktionsgleichung
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Spezialfälle der magnetischen Induktionsgleichung
1. Kinematische Dynamo-Modelle Spezialfälle der magnetischen Induktionsgleichung 1.) Die elektrische Leitfähigkeit geht gegen unendlich Dies bedeutet, daß in einem Volumenelement der magnetische Fluß konstant ist !
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
Konsequenzen
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Spezialfälle der magnetischen Induktionsgleichung
1. Kinematische Dynamo-Modelle Spezialfälle der magnetischen Induktionsgleichung 2.) v = 0 Magnetische Diffusionsgleichung
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
Free-Decay-Dynamo
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Free-Decay-Dynamo 1. Kinematische Dynamo-Modelle
=> Das Magnetfeld zerfällt mit einer Halbwertszeit
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
aw-Dynamo
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
aw-Dynamo
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
aw-Dynamo
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
aw-Dynamo
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
aw-Dynamo w-Effekt
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
aw-Dynamo
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
aw-Dynamo
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
aw-Dynamo
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1. Kinematische Dynamo-Modelle
aw-Dynamo a-Effekt
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Glatzmaier-Roberts-Dynamo
1994 rechneten Gary Glatzmaier und Paul Roberts das erste selbstkonsistente Modell des Erdmagnetfeldes. Rechnung in Kugelgeometrie unter Berücksichtigung des inneren Erdkerns. Modell mit einer zeitlichen Auflösung von 20 Tagen über Jahre berechnet. Gesamtrechenzeit ca. 1 Jahr auf einer Cray C-90.
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Glatzmaier-Roberts-Dynamo
10000 Jahre nach Beginn der Rechnung hatte sich eine deutliche Dipolstruktur ausgebildet.
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Glatzmaier-Roberts-Dynamo
w-Effekt
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Glatzmaier-Roberts-Dynamo-Umpolung
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Glatzmaier-Roberts-Dynamo-Umpolung
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Glatzmaier-Roberts-Dynamo-Umpolung
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Solarer Dynamo Aufgrund der sehr viel turbulenteren Konvektionsbewegung im Inneren der Sonne ist eine numerische Modellierung (noch) nicht möglich. Beschränkung auf kinematische Dynamos: => aw-Dynamo
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Solarer Dynamo Problem: Solarer Dynamo in der gesamten konvektiven Zone. Hohe Konvektions-geschwindigkeiten => geringer a und w-Effekt
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Solarer Dynamo Lösung: Solarer Dynamo im Übergangsbereich zwischen radiativer und konvektiver Zone.
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Solarer Dynamo MIN “Interface” Modelle können die großräumige solare Magnetfeldstruktur wiedergeben. Synthetische Schmetterlingsdiagramme
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Zusammenfassung In einem Plasma mit hoher Leitfähigkeit sind Magnetfelder „eingefroren“. Ohne Strömungen im Inneren eines Planeten/Sterns zerfällt ein Magnetfeld. Durch das Zusammenspiel von Rotation und Konvektion kann ein selbsterregender Dynamo erzeugt werden. Erde: Dynamowirkung erstreckt sich über den gesamten äußeren Erdkern. Sonne: Dynamowirkung auf Übergangsbereich zwischen Strahlungs- und Konvektionszone. Durch das komplexe Strömungsfeld im Inneren von Sonne und Erde kommt es zu Umpolungen des Magnetfeldes.
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