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Nonuniversal statistics in MHD turbulence

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Gebrochene Universalität in Plasmaturbulenz

EU-finanzierte Wissenschaftler haben wertvolle Einblicke in das nicht universelle Verhalten von turbulenten Strömen gekoppelt mit magnetischen Feldern geschaffen. Diese Kopplung tritt auf, wenn Materie sich in einem ionisierten Zustand befindet, etwa in astrophysikalischen und Fusionsplasmen.

Industrielle Technologien

Forschungen zur hydrodynamischen (HD) Turbulenz, ohne Magnetfelder lieferte in den letzten Jahren wichtige Ergebnisse. Auf der anderen Seite waren die Fortschritte für das Verständnis der magnetohydrodynamischen (MHD) Turbulenz begrenzt, vor allem wegen des Mangels an experimentellen Daten. Um die Schwierigkeit beim Experimentieren mit MHD-Systemen zu überwinden, führten Wissenschaftler numerische Simulationen von bisher unerreichter Auflösung durch. Das Projekt MHDTURB (Nonuniversal statistics in MHD turbulence) konzentrierte sich auf das ungelöste Problem der Universalität von elektrisch leitenden Flüssigkeiten in Turbulenzen. Während es beim Simulieren von turbulenten Strömungszuständen unter MHD Ähnlichkeiten mit HD gibt, werden sehr komplizierte Modelle benötigt. Die Komplexität ist eine Folge der Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen und macht sich in einer erhöhten Auflösung der numerischen Simulationen bemerkbar, die wiederum eine enorme Rechenleistung erfordert. Das Team von MHDTURB brachte numerische Simulationen von MHD-Turbulenz auf die nächste Stufe und verwendete dazu die Rechenressourcen der Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE). Die Ergebnisse zeigen verschiedene Verhaltensweisen, die in Abhängigkeit von den Anfangsbedingungen beobachtet werden können. Die identifizierten Unterschiede wurden auf sich bildende Strukturen zurückgeführt. Allerdings kann, wenn die erreichte "Stärke" der Turbulenz erhöht wird, ein Übergang zu einem potentiell universellen Verhalten beobachtet werden, ähnlich wie HD-turbulente Ströme, bei denen die Anfangsbedingungen tendenziell außer Acht gelassen werden. Darüber hinaus zeigten die Simulationsergebnisse, dass in Abwesenheit einer Störung Symmetrien bei den untersuchten Reynolds-Zahlen erhalten blieben. In Gegenwart selbst einer kleinsten Störung wurden bestimmte Symmetrien aufgebrochen, vorausgesetzt, die Reynolds-Zahl war hoch genug. Flächen von Strömen, die sich in Regionen von magnetischer Unstetigkeit gebildet haben, stellten sich als verantwortlich für das Potenzgesetz heraus, nach dem die Energieverteilung zwischen den Skalen abklingenden MHD-turbulenten Strömen folgt. Eine weitere Entdeckung war, dass transiente Spektren unter zufälligen Anfangsbedingungen auftreten, wenn eine enge Korrelation zwischen Geschwindigkeit und Strom vorliegt. Insgesamt lieferte MHDTURB Erkenntnisse zu MHD-Turbulenz, die zu experimentellen Untersuchungen dieser in Astrophysik und Plasmaphysik reichlich auftretenden Multiskalen-Phänomenen beitragen sollen.

Schlüsselbegriffe

Universalität, Plasma, Turbulenz, Astrophysik, magnetohydrodynamisch, MHDTURB

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18 Oktober 2017