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Der Dynamo: Wie entstehen kosmische Magnetfelder?

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Der Dynamo:
Wie entstehen kosmische Magnetfelder?
Rolf Schlichenmaier, Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik, Freiburg
11. Oktober 2008
Der Scheibendynamo
Übersicht
o
Kosmische Magnetfelder:
o Galaktische Magnetfelder
o Stellare Magnetfelder
o Erdmagnetfeld
o
Magnetohydrodynamik und das Dynamoproblem:
o
o
o
o
o
Maxwellgleichungen
Hydrodynamik (Kontinuumsmechanik)
Induktionsgleichung
Konzept der eingefrorenen Magnetfelder
Das solare Magnetfeld
Galaktische Magnetfelder
Magnetfelder spielen wichtige Rolle
im interstellaren Medium (ISM):
o
Signifikanter Beitrag zum Druck.
o
Magnetfelder können Drehimpuls nach
außen transportieren, und sind deshalb
wesentlich bei der Sternentstehung:
Kollaps wird möglich.
o
Magnetfelder im ISM wechselwirken mit
der kosmischen Strahlung.
Das Erdmagnetfeld:
Aufbau:
o fester Eisenkern (1500 km)
o flüssiger äußerer Eisenkern (2100
km)
o Mantel aus Si (2900 km)
Dynamo:
o kompositionelle Konvektion!
o Innerer Kern rotiert schneller als
äußerer Kern
o Neue Simulation mit 4000
Prozessoren im "Earth Simulator"
in Yokohama (Japan) von
Kageyama et al. (Nature, August
2008).
Zeitliche Variation
des Erdmagnetfeldes
(Merrill & McElhinny 1989)
Sonnenwind und Erdmagnetosphäre
Simulation: Erdmagnetfeld weht wie Fahne im Wind.
Es reagiert auf variierende Stärke des Windes.
Sonnenflecken und Fackeln am Sonnenrand
Sonnenflecken manifestieren das Magnetfeld der Sonne
Sonnenzyklus in Bildern
Die Sonne im Röntgenlicht: Korona
Magnetogramm in der Photosphäre
EIT/SOHO, Fe XII, 2 Mil. K
Mai 1996
Dezember 2000
Sonnenfleckenrelativzahl
Maunder Minimum
Sonnenzyklus im Diagramm
Gleichungssystem
Maxwell:
Kontinuität:
Bewegung:
Ohmsches Gesetz:
Energie:
Magnetische Spannung (Krümmung): Magnetische Feldlinien habe das Bestreben sich zu
verkürzen. Es wirkt eine Rückstellkraft proportional zur Krümmung und dem Quadrat von B.
Feldlinie schwingt wie eine Saite (Alfven-Welle).
Magnetischer Druck: Magnetisiertes Plasma drückt in Richtung abnehmenden Magnetfeld.
Eine magnetische Flussröhre in unmagnetisierter Umgebung muss kleineren Gasdruck
haben, wenn sie sich im Druckgleichgewicht und thermischem Gleichgewicht befindet.
Das Dynamoproblem
Das Konzept der eingefrorenen Magnetfelder
Wenn magnetische Dissipation verschwindet (bei unendlicher elektrischer
Leitfähigkeit) kann man zeigen, dass die Feldlinien vom Plasma mitgenommen
werden. Exakt: Der magnetische Fluss durch eine flüssige Linie bleibt konstant.
Eingefrorene Magnetfelder bei Kontraktion
Die differenzielle Rotation
o
o
Äquator (25 Tage) rotiert schneller als Pol (35 Tage).
Am Äquator rotiert die Oberfläche schneller als das Innere.
Scherströmung.
Magnetfeldverstärkung
Heißes Gas - freie Elektronen - Plasma:
Elektrischer Strom fließt widerstandsfrei.
"Wo ein Strom fließt, ist auch ein Magnetfeld."
Prinzip:
2 Kreisströme, erzeugen gemeinsam eine Magnetfeldlinie.
Kreisströme entfernen sich voneinander wegen Scherströmung.
Magnetfeldlinie wird in
die Länge gezogen.
Magnetfeldverstärkung
durch Aufwicklung.
Lorentz-Kraft, "magnetischer Druck" und Auftrieb
Lorentz-Kraft:
(a) Magnetfeldlinien wirken ihrer Krümmung entgegen.
Krümmungkraft
(b) Es wirkt eine Kraft in Richtung des abnehmenden
Magnetfeldes.
Abstoßung zwischen magnetischen Feldlinien:
magnetischer Druck
aus (b) folgt:
Kleinerer Gasdruck innerhalb als außerhalb.
Geringere Dichte innerhalb als außerhalb, wenn isotherm.
Auftrieb!
Wie entstehen Sonnenflecken?
Bipolare Regionen
Aktive Regionen.
Der solare
Dynamo
o Differentielle Rotation
o Magnetischer Auftrieb
o Meridionale Zirkulation
(Dikpati & Gilman 2006)
Übersicht
o
Kosmische Magnetfelder:
o Galaktische Magnetfelder
o Stellare Magnetfelder
o Erdmagnetfeld
o
Magnetohydrodynamik und das Dynamoproblem:
o
o
o
o
o
Maxwellgleichungen
Hydrodynamik (Kontinuumsmechanik)
Induktionsgleichung
Konzept der eingefrorenen Magnetfelder
Das solare Magnetfeld
Anhang
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Vorbemerkungen
Annahmen der Magnetohydrodynamik (MHD)
Maxwell Gleichungen
Die Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltung)
Bewegungsgleichung (+ Lorentzkraft)
Ohmsches Gesetz in der MHD
Magnetohydrodynamik und das Dynamoproblem:
Die Maxwell-Gleichungen
dielektrische Konstante
magnetische Permeabilität
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Kategorie
Gesundheitswesen
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