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Die Broschüre des
John von Neumann-Instituts für Computing gibt es auf Deutsch und
auf Englisch. Sie kann bestellt werden
beim NIC-Sekretariat (nic@fz-juelich.de).
deutsche Broschüre (pdf) | English brochure (pdf)
 Erde und Umwelt
Studien zur Untersuchung umweltrelevanter Prozesse haben meistens die irdische
Atmosphäre und/oder die Ozeane zum Gegenstand. Heute ist klar, dass unsere Umwelt auch
von Vorgängen in abgelegeneren Bereichen, wie dem Weltraum und dem Innern der Erde,
geformt und beeinflusst wird. Das Innere der Erde stellt einen besonders unzugänglichen
Bereich dar. Nur die äußerste Schicht ist direkten Messungen zugänglich. Ungeachtet der
Unzugänglichkeit, spielt doch die Dynamik des Erdinnern eine entscheidende Rolle für
unseren Lebensraum und für unsere Zivilisation.
Erdbeben und Vulkanausbrüche sind prominente Oberflächenphänomene, die auf die
"Vitalität" des Erdinnern hinweisen. Weniger offensichtlich, aber ebenso bedeutsam, ist die
interne Dynamik für die Entstehung und Verteilung von Ressourcen, von Erzlagerstätten über
Öl bis hin zu einem unserer kostbarsten Bodenschätze, dem Grundwasser. Nicht
wahrnehmbar für menschliche Sinne, doch möglicherweise von entscheidender Bedeutung für
das menschliche Leben, ist die Existenz des irdischen Magnetfeldes. Es schirmt unseren
Lebensraum gegen kosmische Strahlung und Partikel ab. Der Ursprung des Erdmagnetfeldes
liegt tief im Innern unseres Planeten, im "äußeren Erdkern", der sich in einer
Tiefe von 2900 bis 5100 km erstreckt. Der äußere Erdkern besteht im Wesentlichen aus
geschmolzenem Eisen. Konvektionsströme in dieser elektrisch leitenden Flüssigkeit
transformieren Wärme in Bewegungs- und schließlich in magnetische Energie. Das gesamte
System bildet einen "planetaren Dynamo", der das Erdmagnetfeld erzeugt und aufrechterhält.
Computer und die Methoden der Computerphysik stellen die wichtigsten
Forschungsinstrumente dar, die es erlauben, die Vorgänge in diesen unzugänglichen
Bereichen der Erde zu enträtseln. Extrem aufwendige Computermodelle sind notwendig, um
annähernd realistische Szenarien zu untersuchen. Berechnungen zur Dynamik des Erdinnern
stellen daher typische Anwendungen für Supercomputer dar. Verfahrenstechnisch bestehen
diese Untersuchungen im Allgemeinen in der Lösung stark nichtlinearer
Differentialgleichungen, häufig in Parameterbereichen, die nicht viel gemein haben mit
Anwendungen in der Atmosphäre oder im Ozean. Das Phänomen der Erdmantelkonvektion
möge hier als Beispiel dienen. Der Erdmantel besteht aus Gestein, das sich allerdings über
geologische Zeiträume wie eine sehr viskose Flüssigkeit verhält. Die Viskosität des Materials
ist extrem stark abhängig von der Temperatur, die Temperaturabhängigkeit erstreckt sich über
viele Größenordnungen. Die Flüssigkeitsdynamik eines solchen Materials ist noch
weitgehend unerforscht, und es sind noch viele, auch grundlegende Fragen offen. In dieser
Broschüre werden Beispiele aufgezeigt, die den gesamten angesprochenen Tiefenbereich
abdecken, von der oberflächennahen Region bis hin zum Erdkern.
Grundwasser strömt im porösen Material des oberflächennahen Untergrundes. Besonders die
Heterogenität des Untergrundbereichs stellt eine große Herausforderung an die Modelle dar,
die der Untersuchung der Transporteigenschaften von Grundwasserströmungen dienen. Eine
zufriedenstellende Vorhersagequalität solcher Modelle erfordert eine möglichst exakte
mathematische Beschreibung der Verhältnisse. Die Validierung der Modellergebnisse ist von
großer Bedeutung. Beobachtungen, Hand in Hand mit numerischen Studien, versprechen neue
Einblicke in die Problematik und so auch nützliche Vorhersagen.
Andere Untersuchungen zielen auf die globale Dynamik der Erde ab. Die Oberfläche der Erde
ist in Platten zersplittert, die sich mit einer Geschwindigkeit von einigen cm/Jahr
gegeneinander bewegen. Konvektionsströmungen im Erdmantel, einer mächtigen Schicht, die
sich zwischen einer Tiefe von 100 und 2900 km erstreckt, stellen den Antrieb der
Plattenbewegung dar. Das Phänomen der Plattentektonik ist ein spezielles charakteristisches
Merkmal der Erde. Die Planeten Mars und Venus weisen, zumindest derzeitig, keine
Plattentektonik auf.
Die Studie von Walzer zielt auf eine selbstkonsistente Simulation von Plattentektonik und
Mantelkonvektion. Die Simulation einer viskosen Flüssigkeit, deren Oberfläche sich wie eine
sich starr bewegende Platte verhält, die aber wieder zur Flüssigkeit wird, wenn sie einsinkt,
stellt ein erhebliches numerisches Problem dar. Die hohe Leistungsfähigkeit moderner
Computer hat hier wesentliche Fortschritte gebracht.
Neben der Untersuchung von plattentektonischen Effekten zielen andere Studien auf eine
realistische Beschreibung der Thermodynamik des Erdmantels ab. Die Einbeziehung
komplexer Zustandsgleichungen, die das Verhalten des Materials im Erdmantel beschreiben,
wird zu einem verbesserten Verständnis der Transporteigenschaften der Mantelkonvektion
führen.
Die Erforschung des Geodynamos stellt derzeit so etwas wie den "Heiligen Gral" der
Computergeophysik dar. Seit weniger als zehn Jahren sind Geophysiker in der Lage,
selbstkonsistente Dynamos in numerischen Experimenten zu produzieren. Verglichen mit den
Verhältnissen im Erdkern müssen alle existierenden Modelle noch als unrealistisch angesehen
werden. Aber es stellen sich Erfolge ein. Weitere Entwicklungen und neue
Lösungsalgorithmen scheinen notwendig, um die magnetohydrodynamischen Gleichungen zu
lösen, die die Entwicklung von Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Magnetfeldstärke
unter den extremen Bedingungen des äußern Erdkerns beschreiben. Momentan scheint es
kaum vorstellbar, dass die nächste oder übernächste Computergeneration Berechnungen für
diese Bedingungen erlaubt. Die Erfahrung lehrt uns allerdings eine Geschichte von kaum
übertroffener Entwicklungsgeschwindigkeit im Bereich der Computertechnologie und des
wissenschaftlichen Rechnens.
(Ulrich Hansen, Institut für Geophysik, Universität Münster)
In Jülich wurden Programme entwickelt, mit denen sich der Wasserfluss und die
Schadstoffausbreitung im Untergrund vorhersagen lassen. Das Programmpaket bestand
ursprünglich aus zwei unabhängigen Komponenten: "TRACE" berechnet den Wasserfluss im
Untergrund, "PARTRACE" berechnet aufbauend auf den Ergebnissen von "TRACE" die
Ausbreitung der Schadstoffe. Als Ergänzung des Programmpakets wurde "PARCHEM"
entwickelt, welches zusätzlich Wechselwirkungen zwischen mehreren Schadstoffen im
Untergrund bei der Vorhersage mit einbeziehen kann.
Die Abbildung zeigt ein simuliertes heterogenes Grundwasserfließgeschwindigkeitsfeld in der
Umgebung eines Brunnens. Regionen hoher Fließgeschwindigkeit sind durch kleine farbige
Fließvektoren gekennzeichnet. Regionen geringer Fließgeschwindigkeit sind schwarz
dargestellt. Auf der rechten Seite des Bildes zeigt die hohe Dichte der
Fließgeschwindigkeitsvektoren eine starke Strömung hin zum Brunnen an. Die dargestellten
Stromlinien, ausgehend von einer Fläche links im Bild, zeichnen Fließpfade nach, entlang
derer sich Substanzen bewegen, die an dieser Fläche in das Grundwasserfließfeld gelangen.
(Harry Vereecken, Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre - Agrosphäre,
Forschungszentrum Jülich)
Tektonische Prozesse wie Gebirgsbildung, Subduktion oder Transformstörungen zeugen von
einem dynamischen Erdinneren: Thermisch getriebene Konvektionsströme im Erdmantel sind
verantwortlich für die Dynamik der Erdoberfläche. Aufgrund der extremen
Umgebungsbedingungen und der starken Parametervariationen, wie etwa der Viskosität, ist
die Untersuchung dieses fluiddynamischen Systems mit numerischen Methoden äußerst
anspruchsvoll.
Unsere Arbeitsgruppe hat ein numerisches Mantelkonvektionsmodell entwickelt, mit dem die
(Fluid-)Dynamik der Konvektionsprozesse im Erdmantel beschrieben werden können. Durch
die Einbeziehung geeigneter rheologischer Gesetzmäßigkeiten ist es uns darüber hinaus
gelungen, die Oberflächentektonik und die Dynamik des Erdmantels selbstkonsistent als ein
System zu beschreiben. Die Abbildung zeigt einen Schnappschuss aus einer Modellrechnung.
Mit Hilfe einer Volume-Rendering-Technik ist farbkodiert die Temperatur des
Modellgebietes dargestellt (rot-heiß, blau-kalt). Auf der Vorderseite der Box sind Auf- und
Abströme zu erkennen, wobei der Aufstrom auf der rechten Seite stark genug ist, um die
Oberfläche zu erreichen. Diese wird mobilisiert (dargestellt durch weiße Vektorpfeile)
und nach links bewegt, wo sie schließlich wieder ins
Innere eintaucht. Die abgebildete Box stellt einen Ausschnitt aus dem Erdmantel dar, wobei
die Höhe des Modellgebietes so gewählt wurde, dass sie der Mächtigkeit des Erdmantels
(etwa 2900 km) entspricht.
(Ulrich Hansen, Helmut Harder, Alexander Loddoch, Claudia Stein, Institut für Geophysik,
Universität Münster)
Der Erdmantel ist ein polykristalliner Festkörper, der sich, bedingt durch Löcher im
Kristallgitter, auf geologischen Zeitskalen wie eine zähe Flüssigkeit verhält. Die Viskosität
hängt ab von der Temperatur, dem Druck und auch dem Gehalt an leicht flüchtigen Stoffen,
insbesondere Wasser. Das numerische Modell beschreibt die Dynamik eines kompressiblen
Mediums in einer Kugelschale, die im wesentlichen durch radioaktive Elemente geheizt wird.
Dies ist eine durchaus realistische Annahme für den Erdmantel. Kernstück der Arbeit ist die
Herleitung einer Viskositätsverteilung. In die Rechnungen gehen Parameterabschätzungen
ein, wie sie aus seismologisch beobachtbaren Größen abgeleitet werden können. Die
Abbildung zeigt die farbkodierte Viskositätsverteilung an der Erdoberfläche, die Pfeile deuten
die Geschwindigkeit des Festkörperkriechens an. Bemerkenswert ist die stückweise
plattenhafte Bewegung, wie man sie auch an der Erdoberfläche beobachtet.
(Uwe Walzer, Institut für Geowissenschaften, Universität Jena)
Das Magnetfeld der Erde entsteht überwiegend durch Dynamoprozesse im geschmolzenen,
elektrisch leitfähigen Eisenkern der Erde, also etwa in einem Tiefenbereich von 3000 bis 5000
Kilometer. Das Verständnis dieser Dynamoprozesse zählt zu den großen Herausforderungen
der aktuellen Geophysik, insbesondere in Hinblick auf die in geologischen Zeiträumen
auftretenden sporadischen Feldumkehrungen des dominanten Dipolanteils. Das Hauptproblem
numerischer Simulationen des Geodynamos besteht darin, ein erdähnliches Parameter-Regime
zu erreichen, in dem die Coriolis-Kraft und die magnetische Lorentz-Kraft über die viskose
Reibung dominieren.
Unsere Arbeitsgruppe hat eine parallele finite Volumen-Methode entwickelt, mit der das
magnetohydrodynamische Dynamoproblem in Kugelschalen gelöst wird. Geringe
Temperaturdifferenzen zwischen Erdmantel und Erdkern treiben eine heftige Strömung, die
durch Induktion ein infinitesimal kleines Magnetfeld verstärken, bis ein statistischer
Gleichgewichtszustand erreicht wird. Die Abbildung zeigt eine Isofläche des Absolutbetrages
der berechneten magnetischen Feldstärke im Kern. Das Magnetfeld an der Kern-Mantel-
Grenze ist in jeder Hemisphäre in vier Flussbündel konzentriert, die mit parallel zur
Rotationsachse angeordneten Konvektionsrollen übereinstimmen. Eine ähnliche
Konfiguration zeigt auch das gegenwärtige Erdmagnetfeld nach einer Feldfortsetzung auf die
Kern-Mantel-Grenze. In weiteren Rechnungen wird der Übergang zu kleinskaligen
Strömungen bei abnehmender Viskosität bestimmt.
(Helmut Harder, Stephan Stellmach, Ulrich Hansen, Institut für Geophysik,
Universität Münster)
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