Synchronising the Rayleigh-Bénard instability in a liquid metal flow using electromagnetic forces

Wie tickt die Sonne? Warum hat sie einen Elfjahresyzklus? Die Theorie des solaren Dynamos hat sich seit ihren Anfängen im frühen neunzehnten Jahrhundert weit entwickelt. Aber auch heute ist noch nicht vollends verstanden, wie das solare Magnetfeld entsteht. Die Qualität wissenschaftlicher Theorien wird dabei oft an ihrer Fähigkeit gemessen, das regelmäßige Kommen und Gehen der Sonnenflecken zu reproduzieren. Diese aktiven Regionen auf der Sonnenoberfläche sind ihrerseits ein Ausdruck der internen magnetischen Prozesse. Was aber, wenn der Sonnenzyklus tatsächlich von außen getaktet würde? Bereits im neunzehnten Jahrhundert war bekannt, dass eine bemerkenswerte Übereinstimmung von Sonnenfleckenzahlen und dem Rhythmus der am stärksten gezeitenwirksamen Planeten existiert. Dennoch schien ein kausaler Zusammenhang aufgrund der geringen Größe der Gezeitenkräfte immer unmöglich. Um dieses Rätsel zu ergründen wurde in den letzten Jahren ein möglicher Interaktionsmechanismus entwickelt. Er beruht auf periodischen Helizitätsschwankungen einer nicht achsensymmetrischen Instabilität, die durch schwache Gezeitenkräfte synchronisiert wird. Gegenstand dieser Arbeit ist es, fundamentale Aspekte dieses Mechanismus experimentell zu untersuchen.

Der erste Teil der Arbeit behandelt die Frage, ob es experimentell möglich ist, mittels elektromagnetischen Kräften gezeitenähnliche Strömungen in einem Zylinder mit Flüssigmetall zu erzeugen. Wie sich herausstellt ist es tatsächlich möglich, ein gut definiertes, quasi-zweidimensionales Strömungsmuster zu erzeugen. In Kombination mit numerischen Daten, welche parallel am Institut erarbeitet wurden, konnte das Verhalten der Strömung charakterisiert werden.

Im zweiten Teil der Arbeit werden die elektromagnetischen Kräfte periodisch und mit unterschiedlicher Frequenz und Stärke auf eine Rayleigh-Bénard Strömung im Zylinder appliziert. Diese Strömung kann so eingestellt werden, dass sie mit ihren natürlichen Helizitätsschwingungen ein gutes Modell für den interessierenden Prozess darstellt. Beim Anlegen der gezeitenähnlichen Kräfte zeichnet sich eine starke Interaktion mit der Rayleigh-Bénard Strömung ab. Dieser Zustand wurde mit einer Vielzahl von Analysetechniken untersucht, um die zugrundeliegenden Prozesse zu verstehen.

Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde ein theoretisches Modell entwickelt, um die erhaltenen Strömungsmuster zu erklären. Es möge zu einem besseren Verständnis dieser Strömungen im Allgemeinen und des Solardynamo-Prozesses im Besonderen beitragen.