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Dr. Frank Stefani

Lei­ter Geo- und Astrophysik
Lei­ter Mag­neto­hydro­dyna­mik in der Geo- und Astrophysik
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Alfvén-Wellen

Die theoretische Ableitung der Existenz magnetohydrodynamischer Wellen durch Hannes Alfvén wurde 1970 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt. Inzwischen spielen diese Alfvén-Wellen eine wichtige Rolle sowohl in der Physik der Sonnenatmosphäre und der Magnetosphäre als auch in der Fusionsforschung. Schon bald nach ihrer Vorhersage im Jahr 1942 waren Alfvénwellen zunächst in Flüssigmetall-Experimenten nachgewiesen und später in aufwändigen plasmaphysikalischen Anlagen detailliert untersucht worden. Während die Geschwindigkeit der Alfvénwelle in flüssigen Metallen üblicherweise deutlich kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit, kehrt sich dieses Verhältnis in Plasmaexperimenten gerade um. Bedingungen, unter denen beide Geschwindigkeiten gleich sind, waren bisher in keinem der beiden Experimenttypen erreicht worden. Für die Heizung der solaren Korona auf Temperaturen von mehreren Millionen Grad ist aber gerade diese Stelle der solaren Atmosphäre entscheidend. Man nimmt an, das genau hier Schallwellen in Alfvénwellen umgewandelt werden, welche dann genügend „Heizenergie“ in die Korona eintragen können.

Erstmalig erreicht wurde diese Bedingung in einem Experiment am Hochfeld-Labor Dresden (HLD) unter Verwendung eines gepulsten Feldes von bis zu 62 Tesla (Abb. 1). Für flüssiges Rubidium liegt der „magische Punkt“ bei einer Feldstärke von 54 Tesla. Durch die Einspeisung von Wechselstrom am unteren Ende des Containers bei gleichzeitiger Einwirkung des gepulsten Magnetfelds gelang die Erzeugung von Alfvénwellen in der Schmelze, deren Aufwärtsbewegung mit der erwarteten Geschwindigkeit gemessen wurde. Während bis zur Feldstärke von 54 Tesla alle Messungen durch die Frequenz des eingespeisten Wechselstrom dominiert waren, tauchte genau an diesem Punkt ein neues Signal mit halbierter Frequenz auf (Abb.2). Diese plötzlich einsetzende Periodenverdopplung war in perfekter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen einer parametrischen Resonanz zwischen Schall- und Alfvénwellen.

Abbildung 1: Alfvénwellen-Experiment am HLD. (a) Edelstahlcontainer für flüssiges Rubidium. (b) Probenhalter mit 4 Pick-up-Spulen PP1-PP4 und 4 Kompensationsspulen (CC). (c) Details der Konstruktion mit den elektrischen Potentialsonden PP1-PP4 am Container. Die orangenen Dreiecke illustrieren die drei seitlichen elektrischen Kontakte (RC) für die AC-Stromeinspeisung (LC bezeichnet den zugehörigen unteren Kontakt). (d) Illustration des Direktantriebs einer torsionsartigen Alfvénwelle durch die azimutal gerichtete Lorentzkraft im unteren Bereich des Containers.
Abbildung 2: (a) Zeitabhängigkeit des gepulsten Magnetfeldes (oben). Der kritische Wert von 54 Tesla (rote Linie), an dem die Alfvéngeschwindigkeit gleich der Schallgeschwindigkeit ist, wird im Zeitintervall etwa zwischen 40 und 65 ms überschritten. Am unteren Kontakt gemessene elektrische Spannung (unten) mit rein Ohmschem Anteil am Anfang und am Ende des Experiments, und der durch die Alfvénwelle induzierten elektromotorischen Kraft. Die beiden Nebenbilder zeigen Signal-Details in der Umgebung von 54 T, wo das periodenverdoppelte 4 kHz-Signal einsetzt bzw. endet. (b) Spektrale Leistungsdichte für die (eingeprägte) 8 kHz-Komponente und die (periodenverdoppelte) 4 kHz-Komponenten des Signals aus (a), jeweils für zwei verschiedene von-Hann-Fenster der Gabortransformation.

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