Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie die Magnetfelder in Sonne und Erde entstehen

21.12.2017

Neuartige Computersimulationen liefern eine Erklärung für seit Jahren nicht verstandene Ergebnisse eines Experiments, das die Prozesse nachgestellt hat, die dem Erdmagnetfeld zugrunde liegen. Wie genau die Magnetfelder von Erde, Sonne und Galaxien entstehen, ist nicht geklärt. Sie basieren auf komplexen Strömungen von flüssigem Metall oder Plasma im Inneren der Himmelsobjekte. Prof. Dr. Rainer Grauer und Dr. Sebastian Kreuzahler von der Ruhr-Universität Bochum beschreiben die Erkenntnisse mit Kollegen der Université de la Côte d’Azur und der École Normale Supérieure de Lyon in der Zeitschrift „Physical Review Letters“.

Erdmagnetfeld basiert auf Dynamo-Effekt


Sebastian Kreuzahler (links) und Rainer Grauer haben neue Erkenntnisse über die Entstehung von turbulenten Magnetfeldern gewonnen.

© RUB, Marquard

Der sogenannte Dynamo-Effekt erzeugt das Magnetfeld der Erde: Im Inneren des Planeten bewegt sich flüssiges, elektrisch leitfähiges Metall in komplexen Strömungsmustern. Dadurch entstehen elektrische Ströme und somit auch Magnetfelder, die wiederum die Strömung der Flüssigkeit beeinflussen.

Seit über 20 Jahren versuchen Forscher und Forscherinnen den Dynamo-Effekt im Labor nachzuahmen. Dieser stellt sich jedoch nur ein, wenn die Strömung der Flüssigkeit und das Magnetfeld ausreichend turbulent sind, was wiederum ein Experiment mit großen räumlichen Abmessungen und einem hinreichend starken Antrieb erfordert.

Experiment nur mit Weicheisen erfolgreich

Bisher gelang es nur in wenigen Experimenten, einen Dynamo-Effekt nachzustellen, wobei das sogenannte VKS-Experiment in Cadarache, Frankreich, im Jahr 2013 das bislang realitätsnächste war. Die Wissenschaftler kurbelten die Strömung von flüssigem Metall mit Antriebsrädern an. Waren die Antriebsräder aus Stahl, stellte sich allerdings kein Dynamo-Effekt ein. Dieser fand sich nur, wenn die Antriebsräder aus Weicheisen waren, das besondere magnetische Eigenschaften hat. „Wie dieser Unterschied zustande kommt, war lange unklar“, sagt Rainer Grauer. „Es gab unterschiedliche Deutungen.“

Mit neuartigen und aufwendigen Computersimulationen am Jülicher Superrechner Jugene und am französischen Superrechner Occigen stellte das Team die Bedingungen im Experiment mit korrekten Randbedingungen nach; dabei berücksichtigten sie etwa die genaue Geometrie der Antriebsräder und des Gefäßes, in dem das Originalexperiment stattgefunden hatte, und bildeten die magnetischen Eigenschaften realitätsnah nach. Aus den Daten entwickelten die Forscher eine Theorie, wie die Weicheisen-Antriebsräder die Entstehung des Dynamo-Effekts bewirken.

Struktur des Magnetfelds verstanden

Die Magnetfeldlinien wickeln sich aufgrund der Materialeigenschaften um die Antriebsräder auf, wobei die Forscher von einem verstärkten Omega-Effekt sprechen. Die spezielle Geometrie des Antriebs erzeugt zudem Wirbelstrukturen in der Flüssigkeit, die das Magnetfeld verstärken – Alpha-Effekt genannt. Den gemeinsamen resultierenden Effekt bezeichnen die Autoren als Alpha-Omega-Dynamo.

Anhand der Simulationsdaten beschrieben die Wissenschaftler auch die großskalige Struktur des Magnetfelds, das in dem VKS-Experiment erzeugt wurde. Frühere, stark vereinfachte Berechnungen waren davon ausgegangen, dass die Pole des Feldes in der Äquatorebene des experimentellen Aufbaus liegen müssten. Die aktuellen Erkenntnisse ergeben jedoch in Übereinstimmung mit dem Experiment, dass es sich um ein axiales Magnetfeld handelte.

Förderung

Die Arbeiten wurden anteilig finanziert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Forschergruppe FOR 1048 und der französischen Agence Nationale de la Recherche (ANR-11-BLAN-045). Die Nutzung des IBM BlueGene/P-Computers Jugene am Forschungszentrum Jülich erfolgte im Rahmen des Projekts HBO40. Rechenzeit wurde außerdem in folgenden französischen Einrichtungen zur Verfügung gestellt: IDRIS/CINES/TGCC, Mesocentre SIGAMM am Observatoire de la Côte d’Azur sowie CICADA an der Universität Nice-Sophia.

Originalveröffentlichung

Sebastian Kreuzahler, Yannick Ponty, Nicolas Plihon, Holger Homann, Rainer Grauer: Dynamo enhancement and mode selection triggered by high magnetic permeability, in: Physical Review Letters, 2017, DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.234501

Pressekontakt

Prof. Dr. Rainer Grauer
Computerorientierte Plasmaphysik
Institut für Theoretische Physik I
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 23767
E-Mail: grauer@tp1.rub.de

Dr. Julia Weiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wie zerfallen kleinste Bleiteilchen?
23.04.2018 | Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Metalle verbinden ohne Schweißen

23.04.2018 | HANNOVER MESSE

Revolutionär: Ein Algensaft deckt täglichen Vitamin-B12-Bedarf

23.04.2018 | Medizin Gesundheit

Wie zerfallen kleinste Bleiteilchen?

23.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics