Sondierung der kurzzeitigen Wechselwirkung zwischen Erdkern und Erdmantel anhand satellitengestützter Modelle des Erdmagnetfelds

• Antragsteller: Dr. Seiki Asari
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 225387973

Aktuelle geomagnetische Satellitenmissionen lieferten für den Zeitraum 2000 bis 2010 eine sehr präzise Abtastung des Erdmagnetfelds. Die hohe Datendichte erlaubten es genaue Modelle des Erdmagnetfelds zu konstruieren. Eines dieser Modelle, das GRIMM (GFZ Reference Internal Magnetic Model) gibt eine äußerst genaue Beschreibung des Magnetfelds an der Kern-Mantle-Grenze, sowohl räumlich als auch dessen zeitliche Entwicklung. In bisherigen Arbeiten modellierten wir die Fluidbewegung im äußeren Kern der Erde basierend auf GRIMM und unter Verwendung der diffusionslosen Induktionsgleichung. Es zeigten sich kurzeitige (sub-dekadische und dekadische) Variationen der Fluidbewegung, die mit beobachteten Änderungen der Erdrotation einhergehen. Dieses Modell der Fluidbewegung bestätigen die Existenz einer sechsjährigen torsionalen Oszillation (TO) im flüssigen Außenkern. Dabei handelt es sich bei den TO um eine hydromagnetische Welle, die als ein wesentlicher Bestandteil der kurzeitigen Dynamik im Erdkern betrachtet wird. Diese Wellen verkörpern relative azimuthale Rotationen zwischen ko-axialen Fluidzylindern, die dynamisch mit dem Mantel und dem festen Innenkern gekoppelt sind. In früheren Studien wurden TOs anhand von numerischen Simulationen. Jedoch sind diese Studien im wesentlichen ohne die Berücksichtigung von tatsächlichen Observationen des Erdmagnetfelds und der Erdrotation gemacht worden. Im besonderen wurde keine der bisherigen Studien anhand hochpräziser Satellitendaten gemacht.In diesem Projekt sollen die kurzeitige Dynamik und die energetischen Interaktionen im System Erdkern und Erdmantel anhand von Beobachtungen geomagnetischer Satelliten untersucht werden. Unsere Strategie sieht es vor die angestrebten Ziele durch die Aufteilung der Arbeit in vier Arbeitspakete zu erreichen. (1) Eine Zeitreihenanalyse der Feldentwicklung und der Fluidbewegung soll sowohl die zeitlichen Signale der TO herausstellen als auch deren Abhängigkeit von der geographischen Breite. (2) Eine Verbesserung der Modellierung der Fluidbewegung wird angestrebt, und soll erreicht werden in dem die (bisher nicht berücksichtigten) Anteile der magnetischen Diffusion parametriziert werden. Dabei soll der Beitrag der Lorentz Kraft in Navier-Stoke-Gleichung berücksichtigt werden. (3) Die theoretische Entwicklung zur Berechnung der elektromagnetischen Kopplung zwischen einzelnen Zylindern im Außenkern soll vorangebracht werden. Betrachtet werden dabei die disspativen Vorgänge, z. B. die Joule-Heizung zwischen einzelnen Zylindern. (4) Die Methoden und Ergebnisse aus den Teilbereichen (1) bis (3) werden erlauben es ein dynamisches Model der TO im Erdkern und der Kopplung zwischen Erdkern und -mantel zu konstruieren; in Übereinstimmung mit Beobachtungen des Erdmagnetfelds und der Erdrotation ist. Dieser Ansatz ist neu, da er das zeitliche Verhalten des dynamische Kräftegleichgewicht berücksichtigt, die zu dem Auftreten von TO führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Matthias Holschneider; Professor Dr. Vincent Lesur, Ph.D.