Numerische Experimente zur Entstehung des globalen Magnetfelds auf Merkur

Die globalen Magnetfelder planetarer Körper wie des Merkurs oder der Erde entstehen durch Bewegungen eines elektrisch leitfähigen Fluids im Inneren des Planeten. Die Bewegungen des Fluids werden dabei meist durch Auftriebskräfte angetrieben, sogenannte Konvektion. Die Corioliskraft strukturiert die Strömung zusätzlich, was die Erzeugung und die Verstärkung des Magnetfelds begünstigt. Der Prozess der Magnetfelderzeugung über diese Effekte wird als Dynamoprozess bezeichnet. Ein wesentlicher Teil der aktuellen Forschung zu planetaren Dynamos besteht darin, die physikalischen Prozesse im Planeteninneren anhand numerischer Experimenten besser zu verstehen.

Ein grundlegendes Modell zur Untersuchung des Dynamoprozesses ist das Childress-Soward-Modell, das aus einer rotierenden, elektrisch leitfähigen Fluidschicht besteht. Der erste Teil dieser Arbeit untersucht den Einfluss der Randbedingungen auf dieses Modell, da in der bestehenden Literatur oft auf recht einfache, jedoch geophysikalisch nicht relevante Randbedingungen eingegangen wird. Ein wichtiges Ergebnis dieser Studie ist, dass bei mechanisch festen Rändern die Nusselt-Zahl signifikant ansteigt, vorausgesetzt, dass der Wärmefluss an den Rändern konstant ist. Dies kann durch ein Zusammenspiel des Ekman-Pumpens und der Struktur der thermischen Grenzschicht erklärt werden. Des Weiteren zeigt sich, dass die thermischen Randbedingungen kaum einen Einfluss auf die Dynamik und Magnetfelderzeugung des Dynamos haben. Wie schon aus nicht-magnetischer rotierender Konvektion bekannt ist, haben die mechanischen Randbedingungen einen großen Effekt auf die Dynamik des Systems und somit auf die Magnetfelderzeugung des Dynamos. So unterdrücken die viskosen Grenzschichten bei mechanisch festen Rändern die Ausbildung großskaliger Wirbel. Die magnetischen Randbedingungen beeinflussen vor allem die Struktur des Feldes. Es zeigt sich bei einer elektrisch perfekt leitenden Umgebung, dass sich ein starkes Magnetfeld in einem kleinen Bereich nahe der Ränder aufbaut, insbesondere für hohe magnetische Reynolds-Zahlen.

Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Erzeugung des einzigartigen Magnetfelds des Merkurs anhand eines Dynamoprozesses. Das Magnetfeld des Planeten kann über einen axialen Dipol mit einer signifikanten Quadrupolkomponente charakterisiert werden. Außerdem ist die Neigung des Dipols gegenüber der Rotationsachse kleiner als ein Grad und das Feld zeigt eine Verschiebung des magnetischen Äquators nach Norden um 20 % des planetaren Radius. Das einzige Dynamomodell, das kontinuierlich diese Eigenschaften des Magnetfelds ohne unrealistische Wärmeflussprofile an der Kern-Mantel-Grenze erzeugen kann, ist das doppelt-diffusive Modell von Takahashi et al. (2019). Dieses Modell nimmt eine dicke thermisch stabile Schicht im äußeren Bereich des Kerns an, wobei der feste innere Kern recht klein ist. In dieser Arbeit wird die Abhängigkeit der Kontrollparameter auf dieses Modell untersucht. Es zeigt sich, dass das Modell sehr sensitiv auf die Wahl der Kontrollparameter reagiert und womöglich unrealistisch für Merkur ist. In einem nächsten Schritt wird ein neues einfach-diffusives Modell vorgestellt, das die Eigenschaften des Merkurmagnetfelds für lange Zeiträume hervorragend erzeugen kann. Die Perioden eines Merkur-ähnlichen Magnetfelds werden von Umkehrungen des Dipolfeldes unterbrochen, die dazu führen, dass der magnetische Äquator zwischen der nördlichen und südlichen Hemisphäre wechselt. Eine wichtiger Faktor für ein Magnetfeld ähnlich zu dem des Merkurs ist, dass der Dynamoprozess mit einer äquatorialsymmetrischen Magnetfeldmode einsetzt.