Zusammenfassung

Es wird heute allgemein angenommen, daß die Ursache für das Magnetfeld der Erde und das anderer Planeten in schwerkraftgetriebenen Konvektionsströmungen in einem rotierenden schmelzflüssigen Erd- bzw. Planetenkern liegt. In einem Dynamo wird mecha-nische Energie in elektromagnetische Energie umgesetzt. Im Gegensatz zu technischen Dynamos, die auf einer Rotationsbewegung in einem komplexen System von Materialien unterschiedlicher elektrischer und magnetischer Eigenschaften basieren, erfordert ein homogener Dynamo im flüssigen Erdkern komplexe Strömungsbewegungen der homogenen Flüssigkeit.

Im Bericht werden zunächst einige Phänomene des Erdmagnetfeldes beschrieben. Anhand des Aufbaus der Erde werden dann zwei charakteristische schwerkraft- und zentrifugalkraftgetriebene Strömungsmuster vorgestellt, wie sie in gravitierenden und rotierenden Kugelschalen auftreten. Ein Exkurs ins Gebiet der Magnetohydrodynamik zeigt in einem weiteren Abschnitt, daß in einem homogenen Medium drallbehaftete Scherströmungen ein Magnetfeld verstärken können. Es werden anschließend die Grundvorstellungen des "Roberts-Busse Geo-Dynamos" vorgestellt, der von wirbelbehafteten Strömungsmustern in einer Zylindergeometrie ausgeht, die ähnliche Eigenschaften besitzen, wie die Strömungen im Inneren von Planeten. Dieses vereinfachte Modell dient als Basis der im letzten Abschnitt vorgestellten Versuchsanlage. Es wird abschließend ein meßtechnisches Versuchsprogramm dargelegt, das auf die Bestätigung bisher erzielter Ergebnisse aus Modellrechnungen abzielt.

Can the Earth´s magnetic field be simulated on laboratory scale

Abstract

The transfer process of mechanical energy into electromagnetic energy is called the dynamo effect, which is believed to be the origin of the magnetic fields of many astrophysical bodies. First some phenomena of the earth magnetic field are outlined.

In planetary bodies, which consist of a homogeneous liquid interior, a dynamo action is produced by numerous interacting effects such as convection due to concentration and density gradients, coriolis forces, Eckmann pumping, local freezing processes etc. yielding a certain flow structure within these bodies. This flow field leads in terms of the induction equation to a production/conservation of magnetic fields. Since the physical effects producing a dynamo can not be simulated in a laboratory experiment, several simplifications are introduced. Therefore, an excursion in the field of magnetohyrodynamics is mades in order to show that shear flows owing a certain helicity are capable to produce magnetic fields. In the experiment a kinematic dynamo in a homogeneous non-ferromagnetic fluid domain will be investigated, which posseses a flow field likely occuring in astrophysical objects. The theoretical model delivering conditions for the self-excitation of a magnetic fields is based on the mean-field theory. Mean field dynamos are governed by an inverse cascade with magnetic energies being transferred from smaller scales to larger ones and therefore are requiring a scale separation. The main ideas of the mean field approach as well as the simplifications of the analytical and numerical models are outlined in this report and their impact on the design of experimental setup are addressed and discussed. Finally, the experimental program is described, which is mainly intended to verify the results obtained in the simulations.