Großskalige Strömungen und Magnetfelder aus kleinskaliger Turbulenz: gyrokinetische Untersuchung

• Antragsteller: Dr. Vasil Bratanov
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 310618514

Plasmen stellen die verbreitetste Form der Materie dar und machen fast das ganze sichtbare Universum aus. Die meisten astrophysikalischen Plasmen befinden sich im turbulenten Zustand, der für eine Vielzahl physikalischer Prozesse - sowohl in Plasmen als auch in Fluiden - ausschlaggebend ist, z.B. atmosphärische Strömungen, Sonneneruptionen oder Akkretionsscheiben. Trotz ihres häufigen Auftretens und ihrer großen praktischen Bedeutung ist Turbulenz immer noch ein nur lückenhaft verstandenes Phänomen, das als eines der wichtigsten ungelösten Probleme der klassischen Physik gilt.Im Mittelpunkt des hier geschilderten Forschungsvorhabens steht die Rolle von kleinskaliger Turbulenz für die Entstehung großskaliger Strukturen. Markante Beispiele für solche Phänomene sind 1) das seit Langem bestehende Problem des Dynamo-Mechanismus (des Ursprungs und der Aufrechterhaltung der Magnetfelder von Himmelskörpern) und 2) die Entstehung großskaliger Strömungen in Fluiden und Plasmen wie das Streifenmuster in Jupiters Atmosphäre. Unsere erste Herangehensweise an dieses Problem beruht auf der Anwendung von erweiterten Modellen, die über die gewöhnlich benutzte Magnetohydrodynamik (MHD) hinausgehen. Als Erstes betrachten wir die Hall-MHD (Erweiterung der MHD durch Einbeziehung des Hall-Effekts), die einen vereinheitlichten Rahmen bereitstellt, der die Entstehung sowohl kinematischer als auch magnetischer großskaliger Strukturen aus kleinskaliger Turbulenz umfasst. Das hier vorgeschlagene Projekt bietet vielversprechende Ansätze für analytische und auch numerische Fortschritte. Die sogenannten zwei- und mehrfachen Beltrami-Zustände spielen eine zentrale Rolle bei diesen Prozessen. Der Anfangsaufwand wird darin bestehen, die Rolle dieser Zustände zu erläutern und vereinfachte Modelle zu entwickeln, die die anschließende Untersuchung leiten werden. Zudem erweitern wir den Rahmen unserer Untersuchung und berücksichtigen auch (gyro)kinetische Modelle. Das erlaubt uns, die Vorhersagen von Flüssigkeitsmodellen und ihren Anwendungsbereich zu testen wie auch Phänomene zu erkennen, die nur in kinetischen Systemen auftreten. Insbesondere ermöglichen kinetische Simulationen die Untersuchung eines neuartigen Dynamo-Mechanismus, bei dem die Entstehung großskaliger Strukturen durch kleinskalige turbulente thermische Fluktuationen gewährleistet ist.Die Ergebnisse aus diesem Projekt werden das Verständnis über die großskaligen Strukturen, die in astrophysikalischen Systemen und auch in Laborplasmen (zonale Strömungen in Tokamaks) auftreten, beträchtlich erweitern. Zudem werden sie auch Aufschluss über die verschiedenen Arten und Weisen geben, auf die turbulente Energie in Plasmen umgewandelt und zwischen vollkommen unterschiedlichen Längenskalen übertragen wird. Tiefgehende Einblicke in diese Fragestellungen werden uns helfen, vereinfachte Modelle zu entwickeln, die dennoch quantitativ richtige Vorhersagen von diesen fundamentalen und allgegenwärtigen Plasmaphänomenen erlauben.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Swadesh Mahajan, Ph.D.