Erweiterung des Hybrid-Codes A.I.K.E.F. um eine Energiegleichung für das Elektronenfluid (H. Ranocha, 2013)
In dem Hybrid-Modell, das dem Plasmasimulationscode A.I.K.E.F. zugrunde liegt, werden die Ionen als Teilchen, die Elektronen jedoch als Fluid beschrieben. Bisher wurde für die Elektronen von der Gültigkeit einer adiabatischen Zustandsgleichung ausgegangen. Bei Ionisationsprozessen wird eine solche Zustandsgleichung jedoch nicht erfüllt. Auch bei anderen Prozessen im Sonnensystem, insbesondere bei Reaktionen und Mischungen verschiedener Ionenspezies, werden Annahmen des bisherigen Hybridmodells verletzt. In dieser Arbeit wurde A.I.K.E.F. daher erfolgreich um eine Energiegleichung für das Elektronenfluid erweitert. Der auf diese Weise erhaltene Code ermöglicht eine bessere Beschreibung und Simulation vieler interessanter Prozesse in unserem Sonnensystem. Insbesondere die Umgebungen von Kometen und Himmelskörpern wie dem Saturnmond Enceladus können dadurch besser untersucht werden.
Plasmasimulation am Merkur unter subalfvenischen Bedingungen (W. Fröhlke, 2013)
Im Normalfall führt die Wechselwirkung des von der Sonne ausgehenden Teilchenstroms, dem Sonnenwind, mit dem Magnetfeld Merkurs zu einer Magnetosphäre ähnlich der der Erde. In Ausnahmefällen kann es jedoch vorkommen, dass der Sonnenwind langsamer als eine charakteristische Geschwindigkeit des Plasmas, die Alfvengeschwindigkeit, ist. Dies bezeichnen wir als subalfvenische Bedingungen. In einer solchen Situation bildet sich keine gewöhnliche Magnetosphäre mehr, sondern es werden die sogenannten Alfven-Flügel erzeugt. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde mittels Plasmasimulationen mit dem Hybrid-Code A.I.K.E.F. untersucht, wie diese Alfven-Flügel bei Merkur entstehen und wie das Stromsystem der Alfven-Flügel an Merkurs Magnetfeld anschließt.
Die Dynamik von E-Ring-Teilchen beim Orbit des Enceladus (P. Meier, 2011)
© NASA
Der E-Ring ist der größte und äußerste Ring von Saturn. Im Vergleich zu den anderen Ringen weißt er jedoch erheblich eine erheblich geringere Dichte auf und ist daher im optischen Bereich durchsichtig. Die Quelle des E-Rings ist der Saturnmond Enceladus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Dynamik der mikrometergroßen Eispartikel, die den E-Ring bilden, untersucht. Besonderes Augenmerk wurde vor allem auf den Einfluss unterschiedlicher Startbedingungen gelegt.
Erstellung von Energiespektrogrammen aus Simulationsergebnisse und Vergleich mit Cassini-Messungen für den Saturnmond Enceladus (V. Dahlke, 2011)
© V. Dahlke
In bisherigen Arbeiten in der AG NPS wurde zum Vergleich zwischen unseren Simulationsergebnissen und Messungen hauptsächlich das Magnetfeld herangezogen. Raumsonden wie z. B. die sich derzeit im Saturnsystem befindliche NASA/ESA-Raumsonde Cassini haben neben einem Magnetometer auch Teilchendetektoren an Bord, die die Anzahl der Teilchen mit einer bestimmten Energie bestimmen. Ziel dieser Bachelorarbeit war es, aus den Simulationsergebnissen die simulierten Energiespektogramme zu erzeugen und mit den Messungen zu vergleichen.
Untersuchung von Alfven-Flügeln bei Merkur (U. Stolzenberg, 2011)
© NASA
Der von der Sonne ausgehende Teilchenstrom, der Sonnenwind hat im Normalfall Geschwindigkeiten oberhalb der (Magneto-)Schallgeschwindigkeit. Analog zu einem Flugzeug bildet sich dann bei der Wechselwirkung von Objekten wie z.B. Merkur mit dem Sonnenwind eine Schockwelle aus, die bow shock. In selten Fällen kommt es jedoch auch vor, dass Sonnenwind langsamer als die Schallgeschwindigkeit ist. Unter diesen Bedingungen bildet sich dann keine Schockwelle, sondern ein System aus stehenden Alfven-Wellen, das Alfven-Flügel-System aus. Diese Situation wurde bisher noch nicht näher untersucht. Ziel der Arbeit war daher Untersuchung von Alfven-Flügeln bei Merkur.
Modellierung des Plumes von Enceladus (E. Harms, 2010)
Der Saturnmond Enceladus zeigt als einer der wenigen Himmelskörpern in unserem Sonnensystem geologische Aktivität: geysirartige Fontänen aus Wasserdampf und Eis erzeugen eine große Wolke unterhalb des Südpols, den Plume. Messungen der Raumsonde Cassini haben gezeigt, dass sich der Plume aus bis zu acht einzelnen Jets zusammensetzt. Diese haben ihren Ursprung in verschiedenen aktiven Regionen innerhalb der sogenannten tiger stripes. In bisherigen Simulationen der Plasmawechselwirkung von Enceladus wurde für die Neutralgasdichte ein vereinfachtes, analytisches Single-Plume-Modell verwendet. In dieser Bachelorarbeit wurde nun durch Simulation von Trajektorien von Neutralteilchen ein realistischeres Profil des Plumes entwickelt.
Untersuchung der Überlagerung von Alfvén-Wings im Hybrid-Modell (N. Moldenhauer, 2010)
In der inneren Magnetosphäre von Saturn bewegt sich das magnetosphärische Plasma deutlich langsamer als die Alfvén-Geschwindigkeit, man spricht daher auch vom sub-alfvénischem Regime. Die dominierende Wechselwirkungsstruktur bei der Wechselwirkung des anströmenden Plasma mit einem ionosphärischem Hindernis ist dann ein Alfvén-Wing-System. Die Entstehung und Natur eines Alfven-Wings kann man sich wie folgt vorstellen: Die in das Plasma eingefrorenen Magnetfeldlinien bewegen sich zusammen mit dem magnetosphärischen Plasma auf das Hindernis zu. In der Ionosphäre sinkt die Plasmageschwindigkeit aufgrund von Stößen ab, während sich Plasma und Feldlinien ober- und unterhalb des Hindernissen mit der ungestörten Konvektionsgeschwindigkeit bewegen. Dies führt dazu, dass ich die Feldlinien um das Hindernis biegen (drapieren). Dadurch wird eine Störung im Magnetfeld mit den dazugehörigen Strömen erzeugt, die sich entlang der Feldlinien ungestört ausbreiten kann, der Alfven-Wing. In dieser Bachelorarbeit wurde die (zunächst hypothetische) Situation zweier aufeinandertreffender Alfven-Wings untersucht.
Untersuchung des Einflusses der Hall-Terms in den Hybrid-Gleichungen (M. Feyerabend, 2010)
In dieser Bachelorarbeit wurde das Verständnis des in der AG NPS verwendeten Plasma-Simulationscodes A.I.K.E.F. vertieft. Insbesondere wurde der sogenannte Hall-Term untersucht und dessen Bedeutung ermittelt. Dazu wurde das Auftreten gewisser Plasmastrukturen in Abhängigkeit vom Hall-Term analysiert und dessen Beitrag in Verhältnis zu den anderen Termen gesetzt. Die Untersuchung wurde für eine subalfvenische Strömung durchgeführt.
Modellierung der magnetischen Diffusion nahe der Oberfläche des Mars: Parameterstudie mit AIKEF (P. Meier, 2009)
In dieser Bachelorarbeit wurde die Abhängigkeit der Simulationsergebnisse für die Wechselwirkung des Mars mit dem Sonnenwind von den numerischen und physikalischen Parametern genauer untersucht und eine möglichst physikalische Lösung des Problems herausgearbeitet. Hierfür lag die Diplomarbeit von Bößwetter (2004) zugrunde, in der bereits Simulationen für den Mars durchgeführt wurden. Besonders wurde auf das Problem der den Messdaten widersprechenden Position des maximalen Magnetfeldes eingegangen werden, welches dort auftrat. Dafür wurden mithilfe des AIKEF-Simulationscodes das Diffusionsverhalten des Sonnenwindmagnetfeldes am bzw. in den Mars und die Abhängigkeit der auftretenden Wechselwirkungsstrukturen von der Diffusion, der Leitfähigkeit des Mars und der inneren Randbedingungen untersucht. Unterschiede zwischen numerischer und physikalischer Diffusion wurden dazu dargestellt und auch Schwächen des Simulationscodes aufgezeigt.