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Zum Dynamoeffekt in extern getriebenen Strömungen

  • 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 freienDie 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.show moreshow less
  • 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 veryThe 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Marcus Gellert
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0001705
Title Additional (German):Zum Dynamoeffekt in extern getriebenen Strömungen
Advisor:N. Seehafer, Egbers, C. Prof., Prof.
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2004
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2004/11/22
Release Date:2005/02/14
Tag:Dynamo; Dynamoeffekt; Helizität; Magnetfelderzeugung; Roberts-Strömung
Roberts flow; dynamo; dynamo effect; helicity; magnetic field generation
RVK - Regensburg Classification:UG 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik