TY - JOUR A1 - Sanchez, Sabrina A1 - Wicht, Johannes A1 - Bärenzung, Julien T1 - Predictions of the geomagnetic secular variation based on the ensemble sequential assimilation of geomagnetic field models by dynamo simulations JF - Earth, planets and space N2 - The IGRF offers an important incentive for testing algorithms predicting the Earth's magnetic field changes, known as secular variation (SV), in a 5-year range. Here, we present a SV candidate model for the 13th IGRF that stems from a sequential ensemble data assimilation approach (EnKF). The ensemble consists of a number of parallel-running 3D-dynamo simulations. The assimilated data are geomagnetic field snapshots covering the years 1840 to 2000 from the COV-OBS.x1 model and for 2001 to 2020 from the Kalmag model. A spectral covariance localization method, considering the couplings between spherical harmonics of the same equatorial symmetry and same azimuthal wave number, allows decreasing the ensemble size to about a 100 while maintaining the stability of the assimilation. The quality of 5-year predictions is tested for the past two decades. These tests show that the assimilation scheme is able to reconstruct the overall SV evolution. They also suggest that a better 5-year forecast is obtained keeping the SV constant compared to the dynamically evolving SV. However, the quality of the dynamical forecast steadily improves over the full assimilation window (180 years). We therefore propose the instantaneous SV estimate for 2020 from our assimilation as a candidate model for the IGRF-13. The ensemble approach provides uncertainty estimates, which closely match the residual differences with respect to the IGRF-13. Longer term predictions for the evolution of the main magnetic field features over a 50-year range are also presented. We observe the further decrease of the axial dipole at a mean rate of 8 nT/year as well as a deepening and broadening of the South Atlantic Anomaly. The magnetic dip poles are seen to approach an eccentric dipole configuration. KW - Earth's magnetic field KW - Geomagnetic secular variation KW - Dynamo KW - simulations KW - Data assimilation Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1186/s40623-020-01279-y SN - 1880-5981 VL - 72 IS - 1 PB - Springer CY - New York ER - TY - THES A1 - Dziourkevitch, Natalia T1 - Interstellar turbulence driven by magneto-rotational instability T1 - Interstellare Turbulenzen hervorgerufen durch magnetische Rotationsinstabilitäten N2 - Origin and symmetry of the observed global magnetic fields in galaxies are not fully understood. We intend to clarify the question of the magnetic field origin and investigate the global action of the magneto-rotational instability (MRI) in galactic disks with the help of 3D global magneto-hydrodynamical (MHD) simulations. The calculations were done with the time-stepping ZEUS 3D code using massive parallelization. The alpha-Omega dynamo is known to be one of the most efficient mechanisms to reproduce the observed global galactic fields. The presence of strong turbulence is a pre-requisite for the alpha-Omega dynamo generation of the regular magnetic fields. The observed magnitude and spatial distribution of turbulence in galaxies present unsolved problems to theoreticians. The MRI is known to be a fast and powerful mechanism to generate MHD turbulence and to amplify magnetic fields. We find that the critical wavelength increases with the increasing of magnetic fields during the simulation, transporting the energy from critical to larger scales. The final structure, if not disrupted by supernovae explosions, is the structure of `thin layers' of thickness of about 100 pcs. An important outcome of all simulations is the magnitude of the horizontal components of the Reynolds and Maxwell stresses. The result is that the MRI-driven turbulence is magnetic-dominated: its magnetic energy exceeds the kinetic energy by a factor of 4. The Reynolds stress is small and less than 1% of the Maxwell stress. The angular momentum transport is thus completely dominated by the magnetic field fluctuations. The volume-averaged pitch angle is always negative with a magnitude of about -30. The non-saturated MRI regime is lasting sufficiently long to fill the time between the galactic encounters, independently of strength and geometry of the initial field. Therefore, we may claim the observed pitch angles can be due to MRI action in the gaseous galactic disks. The MRI is also shown to be a very fast instability with e-folding time proportional to the time of one rotation. Steep rotation curves imply a stronger growth for the magnetic energy due to MRI. The global e-folding time is from 44 Myr to 100 Myr depending on the rotation profile. Therefore, MRI can explain the existence of rather large magnetic field in very young galaxies. We also have reproduced the observed rms values of velocities in the interstellar turbulence as it was observed in NGC 1058. We have shown with the simulations that the averaged velocity dispersion of about 5 km/s is a typical number for the MRI-driven turbulence in galaxies, which agrees with observations. The dispersion increases outside of the disk plane, whereas supernovae-driven turbulence is found to be concentrated within the disk. In our simulations the velocity dispersion increases a few times with the heights. An additional support to the dynamo alpha-effect in the galaxies is the ability of the MRI to produce a mix of quadrupole and dipole symmetries from the purely vertical seed fields, so it also solves the seed-fields problem of the galactic dynamo theory. The interaction of magneto-rotational instability and random supernovae explosions remains an open question. It would be desirable to run the simulation with the supernovae explosions included. They would disrupt the calm ring structure produced by global MRI, may be even to the level when we can no longer blame MRI to be responsible for the turbulence. N2 - Die Beobachtung polarisierter Synchrotronstrahlung mit modernen Radioteleskopen zeigen die Existenz von großskaligen Magnetfeldern in Galaxien. Mit den ständig verbesserten Beobachtungsinstrumenten findet man Magnetfelder in immer mehr Galaxien, so dass man annehmen kann, Magnetfelder treten mehr oder weniger in allen Galaxien auf. Selbst in sehr jungen Galaxien (damit weit entfernten) wurden schon Magnetfelder von einigen mikroG gefunden. Eine mögliche Erklärung für die Entstehung der Magnetfeldern ist die Wirkung eines turbulenten Dynamos. Neben Supernova-Explosionen können magnetische Instabilitäten eine Quelle für die Turbulenz im interstellaren Medium sein. So werden Galaxien bei Anwesenheit eines schwachen Magnetfeldes auf Grund der "Magneto-Rotations-Instabilität" (MRI) turbulent. Die globale Entwicklung des interstellaren Gases in Galaxien unter Wirkung der MRI ist in der vorliegenden Arbeit betrachtet worden. Mit drei-dimensionalen numerischen Simulationen auf großen Clusterrechnern wurde die zeitliche Entwicklung des Geschwindigkeitsfeldes und der Magnetfelder untersucht. Für die extrem rechenintensiven globalen Modelle wurde ein hochgradig parallelisierbares Rechenprogramm zur Lösung der MHD-Gleichungen an die Problemstellung angepasst, in der Rechenzeit optimiert und ausführlich getestet. Es konnte erstmalig die zeitliche Entwicklung des interstellaren Gases unter dem Einfluss eines schwachen Magnetfeldes über mehrere Milliarden Jahre verfolgt werden. In der galaktischen Scheibe entwickelt sich Turbulenz mit einer Geschwindigkeitsdispersion von einigen km/s und großskalige Magnetfelder von einigen mikroG, genau wie in realen Galaxien beobachtet. Damit konnte der Nachweis erbracht werden, dass das interstellare Gas durch Wirkung der MRI auch bei geringer Sternaktivität Turbulenz entwickelt, wie es in einigen ruhigen Galaxien auch beobachtet wird. Ein anderes wichtiges Resultat ist die Entstehung großskaliger Magnetfelder aus kleinskaligen Strukturen in der Art eines turbulenten Dynamos. Die Wachstumsrate der magnetischen Energie geht bei diesem Prozess mit der Umlaufzeit, schnell genug um auch Magnetfelder mit einigen mikroG in sehr jungen Galaxien zu erreichen. Die Entstehung von Magnetfeldern aus der MRI löst auch die bisher ungeklärte Frage nach der Geometrie der Saatfelder für turbulente Dynamos. KW - Magnetohydrodynamik KW - Instabilität KW - Turbulenz KW - Galaxie KW - Dynamo KW - MHD KW - MRI KW - spiral galaxies KW - dynamo KW - turbulence Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5306 ER - TY - THES A1 - Gellert, Marcus T1 - Zum Dynamoeffekt in extern getriebenen Strömungen N2 - Die Frage nach der Herkunft und der dynamischen Entwicklung langlebiger kosmischer Magnetfelder ist in vielen Details noch unbeantwortet. Es besteht zwar kein Zweifel daran, dass das Magnetfeld der Erde und anderer kosmischer Objekte durch den sogenannten Dynamoeffekt verursacht werden, der genaue Mechanismus als auch die notwendigen Voraussetzungen und Randbedingungen der zugrundeliegenden Strömungen sind aber weitgehend unbekannt. Die für einen Dynamo interessanten Strömungsmuster, die im Inneren von Himmelskörpern durch Konvektion und differentielle Rotation entstehen, sind Konvektionsrollen parallel zur Rotationsachse. Auf einer Strömung mit eben solcher Geometrie, der sogenannten Roberts-Strömung, basieren die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Dynamomodelle. Mit Methoden der nichtlinearen Dynamik wird versucht, das Systemverhalten bei Änderung der Systemparamter genauer zu charakterisieren. Die numerischen Untersuchungen beginnen mit einer Analyse der Dynamoaktivität der Roberts-Strömung in Abhängigkeit von den zwei freien Parametern in den Modellgleichungen, der magnetischen Prandtl-Zahl und der Stärke des Energieinputs. Gefunden werden verschiedene Lösungstypen die von einem stationären Magnetfeld über periodische bis zu chaotischen Zuständen reichen. Die yugrundeliegenden Symmetrien werden beschrieben und die Bifurkationen, die zum Wechsel der Lösungstypen führen, charakterisiert. Zusätzlich gibt es Bereiche bei sehr kleinen Prandtl-Zahlen, in denen überhaupt kein Dynamo existiert. Dieses Verhalten wird in der Literatur auch für viele andere numerisch ausgewertete Modelle beschrieben. Im Übergangsbereich zwischen dynamoaktivem und dynamoinaktivem Bereich wird das Auftreten einer sogenannten Blowout-Bifurkation gefunden. Desweiteren beschäftigt sich die Arbeit mit der Frage, inwiefern Helizität, also eine schraubenförmige Bewegung, der Strömung den Dynamoeffekt beeinflusst. Dazu werden ähnliche Strömungstypen verglichen, die sich hauptsächlich in ihrem Helizitätswert unterscheiden. Es wird gefunden, dass ein bestimmter Wert der Helizität nicht unterschritten werden darf, um einen stabilen Roberts-Dynamo zu erhalten. N2 - The question of origin and development of longlasting cosmic magnetic fields is in many details an unanswered question. There is no doubt that the magnetic fields of cosmic objects like the earth, the sun and larger structures are caused by the so called dynamo effect. The exact mechanism as well as the necassary properties and boundary conditions for the underlying flow field are mostly unknown. The flow pattern believed to act as the source of dynamo activity in the inner of cosmic bodies are convection-like rolls parallel to the rotation axis of this objects and are results of the acting body forces due to differential rotation and thermal convection. The basis of the considered dynamo model is a flow field revealing such flow structures, the so called Roberts flow. The numerical investigations start with an analysis of dynamo activity of the Roberts flow in dependence on the two free parameters magnetic Prandtl number and forcing strength. The model shows different types of solutions starting from steady magnetic states in a very small parameter region at larger magnetic Prandtl numbers, time-periodic solutions and chaotic behavior for stronger forcing. For small magnetic Prandtl numbers the system doesn't carry any magnetic field. This 'small Prandtl number problem' is in accordance with the behavior of several other numerically investigated dynamo models described in the literature. The transient region between dynamo activity and the non-magnetic states can be classified by a so-called blowout bifurcation. Furthermore the investigation deals with the question in what way the helical structure of the flow field indicated by a non-vanishing kinetic helicity influences the dynamo process. The comparison of very similar flow families, mainly distinguishable by their different helicity values, leads to the result that beneath a lower bound no stable Roberts dynamo is working. T2 - Zum Dynamoeffekt in extern getriebenen Strömungen KW - Dynamo KW - Dynamoeffekt KW - Magnetfelderzeugung KW - Roberts-Strömung KW - Helizität KW - dynamo KW - dynamo effect KW - magnetic field generation KW - Roberts flow KW - helicity Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001705 ER -