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ERDMAGNETFELD
Dynamo-Effekt im Experiment verstehen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Ruhr-Universität Bochum
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28. Dezember 2017

Wie entstehen die Magnetfelder in Sternen und Planeten? Selbst für das Magnetfeld unseres Heimatplaneten ist diese Frage noch nicht vollständig beantwortet. Neuartige Computersimulationen liefern nun aber zumindest eine Erklärung für die Ergebnisse eines Experiments, das die Prozesse nachgestellt hat, die zur Entstehung des Erdmagnetfelds führen.

Polarlicht

Das Magnetfeld der Erde schützt uns vor hochenergetischen Partikeln aus dem All und sorgt auch für spektakuläre Phänomene wie Polarlichter.  Foto: NASA [Großansicht]

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.

Bisher gelang es nur in wenigen Experimenten, einen Dynamo-Effekt nachzustellen, wobei das sogenannte VKS-Experiment im französischen Cadarache 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 Prof. Dr. Rainer Grauer von der Ruhr-Universität Bochum. "Es gab unterschiedliche Deutungen." Mit neuartigen und aufwendigen Computersimulationen am Jülicher Superrechner Jugene und am französischen Superrechner Occigen stellte das Team, zu dem auch Grauers Bochumer Kollege Dr. Sebastian Kreuzahler sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Université de la Côte d’Azur und der École Normale Supérieure de Lyon, gehören, 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.

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Aus den Daten entwickelten die Forscher eine Theorie, wie die Weicheisen-Antriebsräder die Entstehung des Dynamo-Effekts bewirken: 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.

Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.

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siehe auch
Erde: Ohne Nickel kein Magnetfeld - 21. Juli 2017
Erde: Eisen und das Erdmagnetfeld - 16. Juni 2016
Erdmagnetfeld: Neues über den Dynamo der Erde - 19. Januar 2009
Magnetfelder: Dynamo bei Sternen und Planeten recht ähnlich - 8. Januar 2009
So macht die Erde ihr Magnetfeld - 26. Januar 2000
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Ruhr-Universität Bochum
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