Dynamik magnetischer Flussröhren in Experiment und numerischer Simulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt befasst sich mit stark ionisierten, magnetisch eingeschlossenen Plasmen und hier speziell mit den aus der Sonnenphysik bekannten bogenförmigen Protuberanzen. Trotz umfangreicher Beobachtungen und theoretisch-numerischer Analysen dieses Phänomens sind viele Fragen bezüglich der Entstehung und der explosionsartigen Ausbrüche nach langen, relativ ruhigen Phasen noch ungeklärt. Ziel dieses Vorhabens ist es, entsprechende Plasmakonfigurationen unter kontrollierten Bedingungen in einem Laborexperiment zu erzeugen und ihr dynamisches Verhalten mittels detaillierter numerischer Simulationen zu analysieren, um auf diese Weise die zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen. Um einen möglichst direkten Zugang in ein für uns neues experimentelles Umfeld zu finden, wurde der Laboraufbau in Anlehnung an eine in der Literatur beschriebene Versuchsanordnung konzipiert. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Hufeisenmagneten, dessen Pole in eine Vakuumkammer ragen und dort ein bogenförmiges Magnetfeld erzeugen. Direkt über den Polen befinden sich Elektroden für eine stromstarke Impulsentladung, die kurz nach dem Einblasen einer Wasserstoffwolke gezündet wird. Die Feldlinien des Hufeisenmagneten stellen anfänglich stromfreie magnetische Schleifen dar, und das vom Entladungsstrom induzierte Feld bewirkt eine Verdrehung der Feldlinien entsprechend der photosphärischen Konvektion im solaren Bezug. Mit zunehmender Stromstärke findet eine Aufheizung und räumliche Ausdehnung des bogenförmigen Plasmaschlauches statt, und er wird instabil gegenüber magnetohydrodynamischen kink-Moden. Die Einzelheiten der dynamischen Entwicklung hängen von den Betriebsparametem der Versuchsanlage ab und können mit einer schnellen Kamera erfasst werden. Die numerischen Simulationen des Experiments basieren auf den magnetohydrodynamischen Gleichungen mit entsprechenden Rand- und Anfangsbedingungen, die in ein vorhandenes Programmpaket mit adaptiver Auflösung des dreidimensionalen Rechengebietes implementiert wurden. Für die Durchführung vollständiger Simulationen mussten die zum Teil noch unvollständigen Messdaten der Plasmaparameter durch heuristische Annahmen ergänzt werden. Detailplanung, Bau und Inbetriebnahme der Versuchsanlage wurden innerhalb des Förderungszeitraums erfolgreich abgeschlossen, und bei der numerischen Simulation wurde ein Entwicklungsstand erreicht, der überzeugende qualitative Übereinstimmungen mit den experimentell beobachteten räumlichen Strukturen liefert. Sowohl in apparativer wie in theoretisch-numerischer Hinsicht sind damit die Grundlagen geschaffen, die eingangs erwähnten wissenschaftlichen Fragestellungen im Detail zu bearbeiten.
