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Entstehung und Evolution des terrestrischen und solaren Magnetfeldes

Entstehung und Evolution des terrestrischen und solaren Magnetfeldes. Daniel Köhn Kiel, den 30.11.2004. Entstehung und Evolution des terrestrischen und solaren Magnetfeldes. Magnetfelder von Sonne und Erde Der Rikitake Dynamo Exkurs: Konvektion MHD-Gleichungen Dynamomodelle

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Entstehung und Evolution des terrestrischen und solaren Magnetfeldes

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Presentation Transcript

  1. Entstehung und Evolution des terrestrischen und solaren Magnetfeldes Daniel Köhn Kiel, den 30.11.2004

  2. 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

  3. Magnetfelder von Sonne und Erde

  4. Magnetfelder von Sonne und Erde Magnetfeld der Sonne Im Bereich von Sonnenflecken B ~ 0.1 T Auf der übrigen Sonnenoberfläche B < 10-4 T

  5. 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)

  6. 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

  7. Magnetfelder von Sonne und Erde Magnetfeld der Sonne

  8. Magnetfelder von Sonne und Erde Magnetfeld der Sonne • Neben der gewöhnlichen Variabilität war die Aktivität teilweise erheblich geringer, z.B. Maunder-Minimum (~ 1645-1715) • Aus 14C-Untersuchungen geht hervor, daß die Sonne ca. 20-25 % ihrer „Lebenszeit“ in solchen Phasen (Dauer 100-300 Jahre) verbracht hat.

  9. Magnetfelder von Sonne und Erde

  10. 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°

  11. 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

  12. 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.

  13. Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht

  14. Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht

  15. Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht

  16. Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht

  17. Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht

  18. Rikitake-Dynamo: Gleichgewicht

  19. Numerische Lösungen des Rikitake-Dynamos K = 2 Y = 1 K = 2 Y =1.000001

  20. Chaotische Lösungen des Rikitake-Dynamos Modell für den Geodynamo

  21. Periodische Lösungen des Rikitake-Dynamos K = 2 Y = 8 Modell für den Solaren Dynamo

  22. Einführung in die Hydrodynamik

  23. Einführung in die Hydrodynamik Konvektion Dichter

  24. Einführung in die Hydrodynamik Konvektion

  25. Einführung in die Hydrodynamik Konvektion Dichter1 Dichter2

  26. Einführung in die Hydrodynamik Konvektion Aufsteigen Absinken

  27. Grundgleichungen der Hydrodynamik Massenerhaltung: Impulserhaltung: Energieerhaltung: +Zustandsgleichung: + Randbedingungen

  28. Beispiel: 3D - Konvektion (Numerische Lösungen)

  29. Konvektion in rotierenden Flüssigkeiten

  30. Konvektion in rotierenden Flüssigkeiten

  31. Die MHD-Gleichungen

  32. Dynamomodelle 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

  33. 1. Kinematische Dynamo-Modelle Die magnetische Induktionsgleichung Aus den Maxwell-Gleichungen und dem Ohmschen Gesetz folgt die magnetische Induktionsgleichung

  34. 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 !

  35. 1. Kinematische Dynamo-Modelle Konsequenzen

  36. 1. Kinematische Dynamo-Modelle Spezialfälle der magnetischen Induktionsgleichung 2.) v = 0 Magnetische Diffusionsgleichung

  37. 1. Kinematische Dynamo-Modelle Free-Decay-Dynamo

  38. 1. Kinematische Dynamo-Modelle Free-Decay-Dynamo => Das Magnetfeld zerfällt mit einer Halbwertszeit

  39. 1. Kinematische Dynamo-Modelle aw-Dynamo

  40. 1. Kinematische Dynamo-Modelle aw-Dynamo

  41. 1. Kinematische Dynamo-Modelle aw-Dynamo

  42. 1. Kinematische Dynamo-Modelle aw-Dynamo

  43. 1. Kinematische Dynamo-Modelle aw-Dynamo w-Effekt

  44. 1. Kinematische Dynamo-Modelle aw-Dynamo

  45. 1. Kinematische Dynamo-Modelle aw-Dynamo

  46. 1. Kinematische Dynamo-Modelle aw-Dynamo

  47. 1. Kinematische Dynamo-Modelle aw-Dynamo a-Effekt

  48. 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 400000 Jahre berechnet. Gesamtrechenzeit ca. 1 Jahr auf einer Cray C-90.

  49. Glatzmaier-Roberts-Dynamo 10000 Jahre nach Beginn der Rechnung hatte sich eine deutlicheDipolstruktur ausgebildet.

  50. Glatzmaier-Roberts-Dynamo w-Effekt

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