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Page 1: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Clerk

Historisches und Magnetisches

Christoph Scheiner 1613

Galilei 1612 galileioriceedu

Weiszliglicht-Flare in solarem Aktivitaumltsgebiet Richard C Carrington 1860

Solar White Light Flare SOHOMDI 070322 Hinode SOT G NASA

Solar White Light Flare SOHOMDI Hinode SOT G NASA

First observation of a halo coronal mass ejection on 30 August 1979 Skylab

Einblattdrucke einer Kometenerscheinung 1687

Als der Koumlnig seine getreuen Berater hinrichten lieszlig erschien ein Komet 15 Jahrhundert vor Christus (China)

Bayeux Tapestry um 1070

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 2: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Christoph Scheiner 1613

Galilei 1612 galileioriceedu

Weiszliglicht-Flare in solarem Aktivitaumltsgebiet Richard C Carrington 1860

Solar White Light Flare SOHOMDI 070322 Hinode SOT G NASA

Solar White Light Flare SOHOMDI Hinode SOT G NASA

First observation of a halo coronal mass ejection on 30 August 1979 Skylab

Einblattdrucke einer Kometenerscheinung 1687

Als der Koumlnig seine getreuen Berater hinrichten lieszlig erschien ein Komet 15 Jahrhundert vor Christus (China)

Bayeux Tapestry um 1070

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

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1920er Jahre

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Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

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Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

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Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

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Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 3: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Galilei 1612 galileioriceedu

Weiszliglicht-Flare in solarem Aktivitaumltsgebiet Richard C Carrington 1860

Solar White Light Flare SOHOMDI 070322 Hinode SOT G NASA

Solar White Light Flare SOHOMDI Hinode SOT G NASA

First observation of a halo coronal mass ejection on 30 August 1979 Skylab

Einblattdrucke einer Kometenerscheinung 1687

Als der Koumlnig seine getreuen Berater hinrichten lieszlig erschien ein Komet 15 Jahrhundert vor Christus (China)

Bayeux Tapestry um 1070

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 4: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Weiszliglicht-Flare in solarem Aktivitaumltsgebiet Richard C Carrington 1860

Solar White Light Flare SOHOMDI 070322 Hinode SOT G NASA

Solar White Light Flare SOHOMDI Hinode SOT G NASA

First observation of a halo coronal mass ejection on 30 August 1979 Skylab

Einblattdrucke einer Kometenerscheinung 1687

Als der Koumlnig seine getreuen Berater hinrichten lieszlig erschien ein Komet 15 Jahrhundert vor Christus (China)

Bayeux Tapestry um 1070

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 5: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Solar White Light Flare SOHOMDI 070322 Hinode SOT G NASA

Solar White Light Flare SOHOMDI Hinode SOT G NASA

First observation of a halo coronal mass ejection on 30 August 1979 Skylab

Einblattdrucke einer Kometenerscheinung 1687

Als der Koumlnig seine getreuen Berater hinrichten lieszlig erschien ein Komet 15 Jahrhundert vor Christus (China)

Bayeux Tapestry um 1070

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 6: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Solar White Light Flare SOHOMDI Hinode SOT G NASA

First observation of a halo coronal mass ejection on 30 August 1979 Skylab

Einblattdrucke einer Kometenerscheinung 1687

Als der Koumlnig seine getreuen Berater hinrichten lieszlig erschien ein Komet 15 Jahrhundert vor Christus (China)

Bayeux Tapestry um 1070

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 7: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

First observation of a halo coronal mass ejection on 30 August 1979 Skylab

Einblattdrucke einer Kometenerscheinung 1687

Als der Koumlnig seine getreuen Berater hinrichten lieszlig erschien ein Komet 15 Jahrhundert vor Christus (China)

Bayeux Tapestry um 1070

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 8: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Einblattdrucke einer Kometenerscheinung 1687

Als der Koumlnig seine getreuen Berater hinrichten lieszlig erschien ein Komet 15 Jahrhundert vor Christus (China)

Bayeux Tapestry um 1070

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 9: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Bayeux Tapestry um 1070

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 10: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Halleys Comet NASA

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 11: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Space observation of solar wind

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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Virginia Trimble 2001

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 12: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Cro-Magnon cave-paintings macaronis may be earliest depiction of aurora (30000 BC) NASA

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 13: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 14: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Polarlichter uumlber Nuumlrnberg 28121560

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 15: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 16: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

De magnete magneticisque corporibus William Gilbert

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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Virginia Trimble 2001

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 17: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetisiertes Terella-Experiment Kristian Birkeland 1913

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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Virginia Trimble 2001

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 18: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

The Planeterrella - Polar Light Simulation University of Leicester Physics amp Astronomy department

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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Virginia Trimble 2001

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William Shakespeare (1564 ndash 1616)

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Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 19: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Auroral lights above the south Pole NASAUC Berkeley

Erstmalige Entdeckung von Polarlichtern auf der Suumldhalbkugel durch Seefahrer im 18 Jahrhundert

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 20: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 21: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 22: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

bdquoTo Be Or Not To Beldquo

William Shakespeare (1564 ndash 1616)

bdquoTo B Or Not To B ldquo

Virginia Trimble 2001

119861 Vektor der magnetischen Flussdichte

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 23: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Jemand der etwas uumlber Astrophysik weiszlig der weiszlig auch dass magnetische Felder damit nichts zu tun haben

Herausgeber des Astrophysical Journal 1951

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

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Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 25: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 26: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 27: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

AH

119916 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119916 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 28: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss e des elektrischen Feldes durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AH ist uumlber den Kehrwert der elektrischen Feldkonstante 1205760 zu jedem Zeitpunkt 119905 stets direkt proportional zur Ladung Q(V)innerhalb des umschlossenen Volumens V 120588e 119961 119905 elektrische Ladungsdichte

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr elektrische Felder

e =

AH

119916 119961 119905 d119912 =1

1205760∙ Q V =

1

1205760∙ ම

V

120588e 119961 119905 dV

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 29: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 30: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

AH

119913 119961 119905 d119912 =ම

V

nabla ∙ 119913 119961 119905 dV Gauszligacutescher Integralsatz

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 31: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Johann Carl Friedrich Gauszlig (1777-1855)

Der Fluss m des magnetischen Flussdichtenvektors 119913 119961 119905 durch geschlossene Huumlllenflaumlchen AHverschwindet grundsaumltzlich

Das Gauszligacutesche Gesetz fuumlr magnetische Felder

m =

AH

119913 119961 119905 d119912 = 0

nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 32: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 33: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 34: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

L

119913(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119913 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 35: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hans Christian Oslashrsted (1777-1851) Andreacute-Marie Ampegravere (1775-1836) Jean-Baptiste Biot (1774-1862) Feacutelix Savart (1791-1841)

Das Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

Die Werte der Randintegrale m in Feldern der magnetischen Flussdichte 119913 entlang geschlossener Randlinien L um Flaumlchen A sind uumlber die magnetische Feldkonstante 1205830 proportional zu den durch die Flaumlche flieszligenden Stroumlme I Ԧ119947 119961 119905 elektrische Stromdichte

m = ර

L

119913(119961 119905)d119956 = 1205830 ∙ I = 1205830 ∙ ඵ

A

Ԧ119947 119961 119905 d119912

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ Ԧ119947 119961 119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 36: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 37: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 38: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 39: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

L

119916(119961 119905)d119956 = ඵ

119860

൫nabla times 119916 119961 119905 d119912 Stokesacutescher Integralsatz

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 40: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Das Faradayacutesche Induktionsgesetz

Das Ergebnis e der Integration elektrischer Felder 119916 entlang geschlossener Randlinien L einer Flaumlche A stimmt mit der negativen zeitlichen Aumlnderung des Flusses m magnetischer Felder der

Flussdichte 119913 durch diese Flaumlche uumlberein

e = ර

L

119916(119961 119905)d119956 = minusඵ

A

120597119913 119961 119905

120597119905d119912 = minus

120597m

120597119905

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865)

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 41: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 42: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Veraumlnderungen der Nabla-Operator sowie der Gradient skalarer Felder

d119866 119961 = d119866 1199091 1199092 1199093 =120597119866

1205971199091∙ d1199091 +

120597119866

1205971199092∙ d1199092 +

120597119866

1205971199093∙ d1199093

ൗ120513hellip = (120597hellip 1205971199091 Τ120597hellip 1205971199092 Τ120597hellip 1205971199093) =

120597 hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091120597hellip

1205971199091

Veraumlnderungen skalarer Feldgroumlszlige 119866 1199091 1199092 1199093

Definition des Nabla-Vektoroperators

d119866 119961 ==

120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091120597119866 119961

1205971199091

d1199091d1199092d1199093

= 120513119866 119961 ∙ d119961 equiv grad119866 119961 ∙ d119961 =

Eigenschaften des Gradienten eines skalaren Feldes

1 Der Gradient steht senkrecht auf Niveauflaumlchen des Skalarfeldes in einem Punkt P2 Sein Betrag des Gradienten gibt die groumlszligte Aumlnderungsrate des Skalarfeldes im Punkt P an

= nabla119866 119961 ∙ d119961 = nabla119866 119961 ∙ d119961 ∙ cos120593 120593 Winkel zwischen nabla119866 119961 und d119961

bull Bewegung auf Niveauflaumlchen d119866 119961 = 0cos120593 = 0120593 = 90deg

bull Veraumlnderung d119878 119961 maximal fuumlr cos120593 = 1 also fuumlr 120593 = 0deg also wenn d119961 ǁ nabla119866 119961

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 43: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Vektorfluss Divergenz eines Vektorfeldes und der Gauszligacutesche Integralsatz

Fluss eines Vektorfeldes 119915 119961 durch die umhuumlllende geschlossene Oberflaumlche AH eines Volumens V

H =

AH

119915 119961 d119912 (Huumlllenintegral)

Definition der Divergenz (Quellenergiebigkeit) eines Vektorfeldes 119915 119961

div 119928 119961 = lim∆Vrarr0

AHװ119928 119961 d119912

∆V= nabla ∙ 119876( Ԧ119909)

Gauszligacutescher Integralsatz

V

nabla ∙ 119928 119961 dV =

AH

119928 119961 d119912

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 44: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Umlaufintegral und Rotation eines Vektorfeldes der Stokesacutesche Integralsatz

Geschlossenes Umlaufintegral eines Vektorfeldes 119929 119961 um eine Flaumlche A

U = ර

L

119929(119961)d119956

Definition der Rotation (Wirbelstaumlrke) eines Vektorfeldes 119929 119961

Stokesacutescher Integralsatz

1199510 ∙ rot 119929 119961 = lim∆Ararr0

Lׯ 119929 119961 d119956

∆A rot 119929 119961 = nabla ∙ 119929(119961)

A

nabla times 119929 119961 d119912 =ර

L

119929 119961 d119956

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 45: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

James Clerk Maxwell (1831-1879)

120513 times 119916 119961 119905 = minus120597119913 119961 119905

120597119905

nabla ∙ 119916 119961 119905 Τ= 120588e 119961 119905 1205760 nabla ∙ 119913 119961 119905 = 0

120513 times 119913 119961 119905 = 1205830 ∙ (Ԧ119947 119961 119905 +1205760 ∙120597119916 119961 119905

120597119905)

Verschiebungsstromdichte

12058301205760 = Τ1 1198882

Die Maxwellacuteschen Gleichungen

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 46: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Werner von Siemens 1885 Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Erfindung der selbsterregten Dynamomaschine

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 47: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum MuumlnchenU v Kusserow

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 48: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 49: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 50: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119916 + 119959 times 119913 = 119954 ∙ 119916 + Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 51: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 52: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 53: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 54: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Hendrik Antoon Lorentz (1853 -1928)

Die magnetische Lorentzkraft

Auf ein mit der Geschwindigkeit 119959 im Magnetfeld der magnetischen Flussdichte 119913 bewegtes Teilchen

mit der elektrischen Ladung 119954 wirkt die magnetische Lorentzkraft 119917L Ԧ119947= 119954 ∙ 119959

119917L = 119954 ∙ 119959 times 119913 = Ԧ119947 times 119913

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =120513 times 119913

1205830

119917L =120513times119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

Ampegravereacutesches Durchflutungsgesetz

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 55: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetischer Druck und magnetische Spannung

119917L =120513 times 119913

1205830times 119913 =

1

1205830119913 ∙ 120513 119913 minus 120513

119913120784

21205830

magnetische Spannung

magnetischer Druck

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 56: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 57: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 58: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) ist bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 59: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

R =U

I

Spannung----------------Stromstaumlrke

Widerstand

I

UR

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Das Ohmacutesche Gesetz

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905) bezuumlglich eines

ruhenden Leitersystems proportional zur elektrischen Feldstaumlrke 119916(119961 119905)

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916

Die elektrische Stromdichte Ԧ119947 119961 119905 in einem mit der Geschwindigkeit 119959 in einem Magnetfeld der

Flussdichte 119913 stroumlmenden elektrisch leitfaumlhigen Fluid ist uumlber die elektrische Leitfaumlhigkeit 120590(119961 119905)bezuumlglich eines ruhenden Bezugssystem proportional zur Summe aus der elektrischen Feldstaumlrke

119916(119961 119905) und dem Kreuzprodukt 119959 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 60: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 61: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Plasmamaterie im Magnetfeld U v KusserowIrving Langmuir (1881-1957

Einfuumlhrung des Plasmabegriffs

1920er Jahre

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

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Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

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U v KusserowU v Kusserow

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Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

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Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 62: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetohydrodynamik und das Plasmauniversum

Hannes Olof Goumlsta Alfveacuten (1908-1995)

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 63: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 64: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 65: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 66: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 67: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 68: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Walter Maurice Elsasser (1904-1991)

Modellierung der Dynamoprozesse

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

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Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 69: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Walter Maurice Elsasser (1904-1991) Eugene Newman Parker

Modellierung der Dynamoprozesse

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 70: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Modellierung des Biermann-Batterie Effekts U v Kusserow

Erzeugung magnetischer Saatfelder

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 71: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Ludwig Franz Benedikt Biermann (1907-1986) Komet Hyakutake Hans Leue Olbers-Gesellschaft e V Bremen

Modellierung der Kometenschweifentstehung

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 72: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Animation showing the Suns corona and solar wind NASAGSFC Lisa Poje

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 73: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Eugene Newman Parker

Modellierung des Sonnenwindes

Ballerina-Modell der heliosphaumlrischen elektrischen Stromschichten Werner Heil

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 74: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Umwandlung poloidaler und toroidaler Magnetfeldkomponenten in Dynamoprozessen U v Kusserow

Zyklonisch erfolgende Umwandlung toroidaler in poloidale Magnetfeldkomponenten E N Parker 1955

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

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-Effekt

-Effekt

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NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

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Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

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Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 75: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Herleitung der Induktionsgleichung fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

120597119913

120597119905= minus120513 times 119916

nabla ∙ 119913 = 0

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913

1 Faradayacutesche Induktionsgleichung

2 Ohmacutesches Gesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times (

1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913)(

3 Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

120597119913

120597119905= minus120513 times

1

120590 ∙ 1205830∙ 120513 times 119913 + 120513 times 119959 times 119913

4 Gauszligacutesches Gesetz =1

120590 ∙ 1205830= konst

120513 times 119959 times 119913 + ∙ 120513120784 119913120597119913

120597119905=

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 76: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Dynamogleichung mittlerer Felder fuumlr einkomponentige leitfaumlhige Fluide

Max Christian Theodor Steenbeck (1904-1981)

ۦ 119959 ൻ ൿ119913gemittelte Groumlszligen fluktuierende Groumlszligen 119959 119913

120513times 119959 times 119913 + 120513 times 120630 ∙ 119913 + (+ turb) ∙ 120513120784 119913

120597119913

120597119905=

120513 times ۦ 119959 times ൻ ൿ119913 + ർ 119959 times 119913 + ∙ 120513120784ൻ ൿ119913120597ൻ ൿ119913

120597119905=

nicht spiegelsymmetrische Turbulenz hellip

119959 = ۦ 119959 + 119959 119913 = ൻ ൿ119913 + 119913

Osborn Reynolds Steenbeck (1842-1912)

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 77: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v KusserowU v Kusserow

Plasma Flows drive Solar Dynamo Processes SDONASA

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 78: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v Kusserow

A Brandenburg Nordita

-Effekt

-Effekt

-Effekt

-Effekt

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 79: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v KusserowU v Kusserow

Solar DynamoEvolution of Poloidal and Toroidal Magnetic Fields

NASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

Solar Dynamo Plasma FlowsNASA SVS CI Lab and Goddard Media Studios

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 80: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v KusserowU v Kusserow

David H HathawayNASAARC

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 81: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v KusserowU v Kusserow

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

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119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

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U v Kusserow

120590rarrinfin =1

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119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

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120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

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120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 82: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v Kusserow

U v Kusserow

Magnetische Flusswanderung SDOHMI NASA (Bearbeitung U v Kusserow)

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

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Magnetische Rekonnexion

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Advektionsterm Magnetischer

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Magnetische Rekonnexion

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U v Kusserow

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Magnetische Rekonnexion

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Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

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Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

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Magnetische Rekonnexion

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Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

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1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

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staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

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Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 83: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v KusserowU v Kusserow

Solar Magnetograms David H HathawayNASA

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 84: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Dynamomaschine 1867Deutsches Museum Muumlnchen

Dynamo Processes in the Earth Interior United States Geological Survey Joseph Larmor The London Mathematical Society 1919

Dynamogenerierung des Erdmagnetfeldes

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

U v Kusserow

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

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119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 85: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v KusserowU v KusserowJulien Aubert et al

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U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

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U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

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Advektionsterm Magnetischer

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119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

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U v Kusserow

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Magnetische Rekonnexion

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U v Kusserow

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Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

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Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

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Magnetische Rekonnexion

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Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

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Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

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staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

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Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

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Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 86: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 87: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v KusserowEugene N Parker Karl-Heinz Raumldler Axel Brandenburg Nordita Stockholm

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

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119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

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U v Kusserow

120590rarrinfin =1

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119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

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119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

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120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 88: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Ronald Giovanelli (1915-1984) Source Jack Piddington Jim Dungey (1923-2015) Source Q Stanley

Pioniere der magnetischen Rekonnexionsforschung

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

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Advektionsterm Magnetischer

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Magnetische Rekonnexion

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U v Kusserow

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Magnetische Rekonnexion

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U v Kusserow

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Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

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Advektionsterm Magnetischer

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U v Kusserow

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Magnetische Rekonnexion

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Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

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Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

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Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

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staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

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staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

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Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 89: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

magnetische Permeabilitaumlt

=1

1205830 ∙ 120590magnetische Diffusivitaumlt

1205830

120590 elektrische Leifaumlhigkeit

U v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 90: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 91: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 92: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861

U v Kusserow

120590rarrinfin =1

1205830∙120590rarr0

119906119899119889 2 119861 119904119890ℎ119903 119896119897119890119894119899

Eingefrorenheit magnetischer Feldlinien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 93: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetischer

Dissipationsterm

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 94: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Advektionsterm Magnetische

Rekonnexion

U v Kusserow

120590 119890119899119889119897119894119888ℎ =1

1205830∙120590ne 0

119906119899119889 2 119861 119899119894119888ℎ119905 119896119897119890119894119899

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 95: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 96: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

Ԧ119895 =1

1205830 times 119861

Ampegravereacutesches Gesetz

Ausbildung elektrischer Stromschichten

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 97: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

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staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 98: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 99: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

Aufheizung des Plasmas Zunahme des elektrischer Widerstandes Verringerung der elektrischen Leitfaumlhigkeit

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

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staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 100: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 101: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 102: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

=1

1205830 ∙ 120590ne 0 nabla2119861 ne 0

staumlrkere Einflussnahme des Dissipationssterms

∙ nabla2119861 ≫0

bull Diffusion magnetischer Feldkomponenten

bull Entkoppelung von Materie und Magnetfeldern

bull Dissipation magnetischer Energien

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 103: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 104: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

120597 119861

120597 119905= times Ԧ119907 times 119861 + ∙ 2 119861

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 105: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

bull lokale magnetische Nullpunktebull elektrische Stromschichten

bull Aumlnderungen (auch globaler) magnetischer Topologienbull erneute bdquoEingefrorenheitldquo seitwaumlrts austretender magnetischer Feldstrukturen

bull groszlige magnetische Spannungenbull Erzeugung elektrischer Felder

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 106: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

Erzeugung elektrischer Felder

120513 times 119913 = 1205830 ∙ Ԧ119947 Ԧ119947 =1

1205830∙ 120513 times 119913

Ԧ119947 = 120590 ∙ 119916 + 119959 times 119913 119916 =1

120590∙ Ԧ119947 minus 119959 times 119913 Ohmacutesches Gesetz

Ampegravereacutesche Durchflutungsgesetz

119916 =1

1205830∙120590∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913 = ∙ 120513 times 119913 minus 119959 times 119913

Magnetische Rekonnexion

httpscommonswikimediaorgwikiFileReconnectiongif

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 107: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

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Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 108: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Magnetische Rekonnexion

Modellexperiment zur magnetischen Rekonnexion U v Kusserow

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 109: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Modellvorstellungen zur magnetischen RekonnexionU v Kusserow

Magnetische Rekonnexion

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 110: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Entwicklung neuer Rekonnexionstheorien

(1) fraktale und turbulente magnetische Rekonnexion

(2) Separate Betrachtung der Ionen und Elektronen in Multifluid-Modellen

(3) kollisionsbehaftete kollisionsfreie Plasmen Dissipationsprozesse durch magnetische

Rekonnexion

(4) 2 D 3 D Faumlcher- Grat- Separator- und Quasi- Separatrix Rekonnexion

(5) intermittente Energiedissipation in Verwirbelungen auf kinetischen Skalen

(6) kettenreaktionsartig ablaufende sich chaotisch und wellenartig ausbreitende Rekonnexion

(7) nicht relativistisch relativistische Rekonnexion Beschleunigungsprozesse

hellip mit Hilfe von Messreihen Ergebnissen numerischer hellip

Simulationen und Laborexperimente

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 111: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Indizien fuumlr den Einfluss magnetischer Rekonnexion

Intuitives Erkennen

anhand von Beobachtungen

Plausible Annahmen

Anhand theoretischer Uumlberlegungen

Theorienentwicklung

Modellierung

Analytische

ModellrechnungenNumerische

Simulationsrechnungen

Laborexperimente

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 112: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Kosmische Magnetfelder (1) hellip

bull bewirken die Aufheizung der Sonnenatmosphaumlre die Beschleunigung des Sonnenwindes das

Einsetzen solarer Flares der Eruptionen von Protuberanzen und Koronale Masseauswuumlrfebull bestimmen das Weltraumwetter nicht nur in unserem Sonnensystembull beeinflussen die Entwicklung kometarer Strukturphaumlnomene loumlsen Kometenkopf- und

Kometenschweifabrisse ausbull schuumltzen planetare Atmosphaumlren vor einem allzu starken Materieabtrieb sowie dem Einfall

kosmischer Strahlungbull bestimmen die Entwicklung erdmagnetischer Stuumlrme und von Polarlichterscheinungen in den

Ionosphaumlren der Erde sowie der Gas- und Eisplanetenbull beeinflussen die Entwicklung unterschiedlichster Turbulenzphaumlnomene in interplanetaren

interstellaren und intergalaktischen Raumlumen entscheidend mitbull werden ruumlckwirkend in Turbulenzfeldern von Schockfronten (durch Bell- und andere Instabilitaumlten)

verstaumlrkt durch kleinskalige (turbulente) bzw groszligskalige Dynamoprozesse (mittlerer Felder)

regeneriertbull werden in Dissipationsprozessen geschwaumlcht und abgebaut in magnetischen Rekonnexionspro-

zessen topologisch umstrukturiertbull foumlrdern bzw behindern den Transport von Materie Impuls Drehimpuls und Energie im Kosmosbull erfahren einen Auftrieb aufgrund einsetzender Parker-Instabilitaumltenbull unterstuumltzen die Ausbildung filamentartig geformter kosmischer Objekte sowie spiralfoumlrmiger

(z B protostellarer und galaktischer) Scheibenstrukturen

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 113: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Kosmische Magnetfelder (2) hellip

bull vermitteln (aufgrund einsetzender Magnetorotationsinstabilitaumlten) bzw moderieren (aufgrund

ambipolarer Diffusions-prozesse) die Materieakkretion in kosmischen Scheibenstrukturenbull treiben beschleunigen lenken und buumlndeln unterschiedliche Typen von (zentrifugal- durch

magnetischen Druck oder durch magnetische Rekonnexionsprozesse getriebenen) Materiewinden

in kosmischen (protostellaren galaktischen in massereicheren alten Stern- oder Doppelstern-

systemen) Scheibe-Jetsystemen um kompakte Zentralobjektebull koumlnnen groszlige Energiemengen speichernbull ermoumlglichen die Aufheizung der Materie durch magnetische Wellen- und Rekonnexionsprozesse

bull lenken und beschleunigen die Stroumlmung kosmische Partikel und ermoumlglichen deren Einkapselung

in groszligraumlumigen Feldstrukturen bull bestimmen die besonders dynamischen Entwicklungen innerhalb bzw im Umfeld kompakter und

massereicher kosmischer Zentralobjektebjekte (Weiszlige Zwerge Neutronensterne Schwarze

Loumlchern und Aktive Galaxienkerne) entscheidend mitbull nehmen wichtigen Einfluss bei der Ausloumlsung und auf die Entwicklung von Supernovae und

Gammastrahlenausbruumlchenbull muumlssen anfangs (primordial) in batteriegetriebenen elektrischen Stroumlmen erzeugt worden sein

bull muumlssen wesentlich Einfluss auf die gesamte (auch fruumlhe) kosmologische Entwicklung des

Universums genommen habenbull bestimmen die Entwicklung des Klimas und des Lebens in habitablen Lebensraumlumen unseres

Universums entscheidend mit

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 114: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

U v Kusserow

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik

Page 115: Clerk - ulrich-von-kusserow.de · Michael Faraday (1791-1855) Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) James Clerk Maxwell (1831-1879) Veränderungen, der Nabla-Operator sowie der

Zur Geschichte kosmischer Magnetfelder im entfernten Universum

1814 Der deutsche Optiker und Physiker Joseph FRAUNHOFER (1787-1826) entdeckt die

nach ihm benannten Linien im Sonnenspektrum1845 Michael FARADAY (1791-1867) entdeckt den nach ihm benannten magnetooptischen

Effekt der die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten

elektromagnetischen Welle beim Durchlauf durch ein magnetisiertes Medium

beschreibt in dem das Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle

ausgerichtet ist1852 Der irische Physiker und Mathematiker Physiker George Gabriel STOKES (1819-1903)

definiert die nach ihm benannten vier Parameter die den Polarisationszustand

elektromagnetischer Strahlung beschreiben1862 James Clerk MAXWELL (1831-1879) setzt sich mit der Drehung der Ebene der

Polarisation von Licht in einem Magnetfeld auseinander1888 Der deutsche Physiker Heinrich Rudolph HERTZ (1857-1894) macht die Entdeckung

dass sich Mikrowellen- und Radiostrahlung wie sichtbares Licht polarisieren laumlsst

1896 Der hollaumlndische Physiker Pieter ZEEMAN (1865-1943) weist den nach ihm benannten

Effekt experimentell nach der die in systematischer Weise proportional zur Groumlszlige

der magnetischen Flussdichte erfolgende Staumlrke der Aufspaltung magnetisch

sensibler insbesondere auch durch unterschiedliche Polarisierung gekennzeichneter

Spektrallinien in Magnetfeldern bezeichnet 1937 Der schwedische Plasmaphysiker Hannes Olof Goumlsta ALFVEacuteN (1908-1995) unterstellt

die generelle Existenz von Magnetfeldern in Sternen und dem dazwischenliegenden

interstellaren Medium1944 Die sowjetischen theoretischen Physiker Dmitri Dmitrijewitsch IWANENKO (1904-1994)

und Isaak Jakowlewitsch POMERANTSCHUK (1913-1966) postulieren die Existenz der

Synchrotronstrahlung die tangential zur Bewegungsrichtung geladener

insbesondere in Magnetfeldern beschleunigter Teilchen abgestrahlt wird1946 Erster experimenteller Nachweis der Synchrotonstrahlung in einem zyklischen

Synchrotron-Teilchenbeschleuniger

Der deutsche Astrophysiker Karl-Otto KIEPENHEUER (1910-1975) diskutiert die

Emission von Radiowellen ausgehend von beschleunigten Elektronen in

Magnetfeldern1947 Der amerikanische Astronom Horace Welcome BABCOCK (1912-2003) entdeckt das

Magnetfeld des schnell rotierenden chemisch eigenartigen Ap-Sterns 78 Virginis im

Sternbild Jungfrau1948 Horace Welcome BABCOCK schlaumlgt vor dass magnetische variable Sterne Quelle

kosmischer Partikelstrahlung sein koumlnnte1949 Der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Edward TELLER (1908-2003

entwickelt eine erste Theorie zum interstellaren Magnetismus

Der amerikanische theoretische Physiker Julian Seymour SCHWINGER (1918-1994) und

bereits ein Jahr vor ihm F R ELDER bezeichnen die von Elektronen im Magnetfeld

ausgesandte polarisierte Strahlung als Synchrotronstrahlung

Erste Beobachtung der optischen Polarisation kosmischer elektromagnetischer

Strahlung

Der italienisch-amerikanische Physiker Enrico FERMI (1901-1954) schlaumlgt vor dass die

gesamte Milchstraszlige mit kosmischer Strahlung gefuumlllt ist und dass hier groszligskalige

magnetische Felder existieren

1950 Entwicklung der Idee dass die Einflussnahme kosmischer Magnetfelder fuumlr die

Erzeugung hochenergetischer kosmischer Partikelstrahlung und zu deren

Einkapselung in unserer Galaxie erforderlich ist

Leverett DAVIS (1914-2003) und Jesse Leonard GREENSTEIN (1909-2002) begruumlnden

den nach ihnen benannten Effekt wonach die Polarisation optischer und

infraroter Emission aus dem Weltall durch laumlngliche Staubkoumlrner verursacht

werden kann die sich in magnetischen Feldern ausrichten

Der japanische Physiker Yataro SEKIDO und Mitarbeiter identifizieren the

Krebsnebel als Quelle kosmischer Strahlung 1953 Der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan CHANDRASEKHAR (1910-

1995) entwickelt eine Theorie zum galaktischen Magnetismus

Der sowjetische Astrophysiker Iosif Samuilovich SHKLOVSKY (1916-1985) schlaumlgt vor

dass die vom Krebsnebel im Optischen und Radiobereich ausgesandte Strahlung

die von relativistischen Elektronen im Magnetfeld ausgesandte

Synchrotronstrahlung darstellt1954 Nachweis der linearen Polarisation des vom Krebsnebel im Optischen

ausgesandten Lichts durch den sowjetischen Astronomen V A DOMBROWSKI

1956 Der russische Astronom Grigory Abramovich SHAJN (1892-1956) schlieszligt aus der

auffallenden Elongation diffuser Nebel entlang der galaktischen Ebene auf die

Einflussnahme eines groszligskaligen interstellaren magnetischen Feldes1950er

Jahre

Horace Welcome BABCOCK baut Magnetometer zur Vermessung stellarer

Magnetfelder die nur ein Zehntel so stark sind wie die in Sonnenflecken1960 Horace Welcome BABCOCK misst das 34 kG Magnetfeld des Ap-Sterns HD 215441

1961 Horace Welcome BABCOCK entwickelt das nach ihm und dem amerikanischen

Experimentalphysiker Robert Benjamin LEIGHTON (1919-1997) benannte

Modellszenario zur Erklaumlrung des magnetischen solaren Aktivitaumltszyklusses1962 Nachweis der linearen Polarisation der von der Milchstraszlige ausgesandten

Radiostrahlung durch den hollaumlndisch-amerikanischen Astronomen Gart

WESTERHOUT (1927-2012) sowie den in Polen geborenen amerikanische

Radioastronom Richard WIELEBINSKI

Nachweis der Polarisation der Cygnus A Radiostrahlung

Entdeckung der Drehung des Polarisationswinkels (Faraday Effekt) linear

polarisierter Radioemissionen der aktiven Centaurus A Galaxie1964 Dave MORRIS und B L BERGE fuumlhren die ersten Messungen der Faraday-Rotation

der von extragalaktischen Radioquellen ausgehenden polarisierten Strahlung

durch1967 Die nordirische Astrophysikerin Susan Jocelyn BELL BURNELL und der britische

Radioastronom Antony HEWISH entdecken den ersten Radiopulsar PSR B1919+21

Der deutsche Astrophysiker Joachim Ernst TRUumlMPER misst erstmals das Magnetfeld

eines Neutronensterns (4 ∙ 1012G = 4 ∙ 108T) nach Entdeckung der

Zyklotronresonanz im Spektrum von Hercules X-1 1968 Der in Suumldafrika geborene amerikanische Radioastronom Gerrit L VERSCHUUR weist

zum ersten Mal eine Zeeman-Aufspaltung in Wolken mit neutralem Wasserstoff

nach

Entdeckung des Krebspulsars im Zentrum des Krebsnebels eines Supernova-

Uumlberrests 1971 Eugene N PARKER entwickelt das erste Modell fuumlr einen galaktischen Dynamo1978 Erste Entdeckung polarisierter Radioemission von einer externen Spiralgalaxie

(M31) durch den deutschen Radioastronomen Rainer BECK

1999 Der italienische Astrophysiker Roberto FUSCO-FEMIANO und sein Team weisen die

Existenz 015μG starker intergalaktischer Magnetfelder im des Halos des Coma-

Galaxienhaufens nach2007 Durch Vermessung der Synchrotronstrahlung gelingt dem kanadischen

Radiophysiker Philipp KRONBERG und seinem Team die Bestimmung einer

Magnetfeldstaumlrke von etwa 035μG innerhalb des Coma-Galaxiensuperhaufens

1951

Sonnenfleck mit Zeeman-Aufspaltung im Spektrum NSOAURANSF

Krebspulsar Roumlntgen NASACXCSAO Optisch NASASTScI Infrarot NASA-JPL-Caltech

Magnetfeldstrukturen der Giraffen-Spiralgalaxie R Beck (MPIfR Bonn) u aSuW-Grafik