Angewandte Plasmaphysik: Große Wirbel (Zonal flows und andere Strukturen) in Kernfusionsreaktoren, auf dem Jupiter, in Klima und Astrophysik
Applied Plasma Physics: Large Vortices (Zonal Flows and Other Structures) in Fusion Reactors, Jupiter, Climate and Astrophysics

Modul PH2233

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Basisdaten

PH2233 ist ein Semestermodul in Englisch oder Deutsch auf Master-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Kern-, Teilchen- und Astrophysik

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
150 h 50 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2233 ist Klaus Hallatschek.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Das Modul behandelt die Strukturbildung in Turbulenzsystemen am Beispiel der Zonal Flows.

Der hohe Temperaturkontrast zwischen einem Fusionsplasma und der Umgebung treibt konvektive turbulente Wirbel an. Diese wirken in einer auf den ersten Blick schwer erklärbaren Weise zusammen und werfen Strömungen ("Zonal Flows") an, die das gesamte Plasma umspannen. Die Strömungen sind wiederum ein entscheidendes Mittel, den konvektiven Wärmeabfluss im Zaum zu halten und damit der Zündbedingung näherzukommen. Das geschieht z.B. im "low/high-confinement" Übergang in allen aktuellen Experimentalreaktoren und wird auch für ITER benötigt, den ersten von ihnen, der die Zündbedingung erfüllen wird. Die Zonal Flows sind Gegenstand intensiver Forschung und eine vielversprechende Möglichkeit, die widersprüchlichen Anforderungen an eine funktionierende Fusionsmaschine leichter zu erfüllen.

Zonal Flows sind aber auch für die Wolkenbänder auf den großen Gasplaneten verantwortlich, treten wohl auf den neu entdeckten Exoplaneten, sowie in vielen Fällen atmosphärischer Turbulenz auf der Erde auf. Sie stellen einen aktuell stark untersuchten Einflussfaktor auf den Wärmetransport in der Atmosphäre dar.

Ausgehend von den Plasma-Zonal Flows liefert die Vorlesung das erforderliche Rüstzeug zu ihrer Beschreibung, sowie die Anwendung des plasmaphysikalischen Wissens auf den geo- bzw. astrophysikalischen Kontext.

Lernergebnisse

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul ist der/die Studierende in der Lage

  • aktuelle experimentelle Forschungsergebnisse und Messmethoden zu den Zonal Flows und weiteren Selbstorganisationsphänomenen in plasmaphysikalischen und astrophysikalischen Systemen zu beschreiben.
  • die magnetohydrodynamischen und drift- bzw. gyrokinetischen Grundgleichungen für die Beschreibung von Turbulenz und Zonal Flows in magnetisierten Hochtemperaturplasmen zu verstehen und zu beschreiben.
  • die anelastischen Grundgleichungen für die Turbulenz in rotierenden Planeten/Sternatmosphären herzuleiten und zu beschreiben.
  • die verschiedenen Typen der globalen Strömungen in Fusionsplasmen und Planeten/Sternatmosphären zu beschreiben und ihre verschiedenenEigenschaften zu charakterisieren.
  • im Hinblick auf das Anwerfen der Zonal Flows:
    • die Erhaltungsgrößen in zwei- und dreidimensionaler hydrodynamischer und magnetohydrodynamischer Turbulenz herzuleiten.
    • das Prinzip der Kaskaden und die verschiedenen Erhaltungsgrößen anzuwenden, um Aussagen über kollektive Phänomene zu machen.
    • die verschiedenen fundamentalen Wellen in den genannten Systemen sowie ihrenEinfluss auf den Impuls- und Energietransport zu erklären.
  • Beispiele für wesentliche konvektive Turbulenzarten (u.a. Driftwellen, Rayleigh-Taylor-Instabilitäten, Rossbywellen) in den behandelten Systemen abzuleiten sowie deren Einfluss auf die Entstehung von Zonal Flows abzuschätzen.
  • die Methoden und Problematik bei der Computersimulation der behandelten Systeme zu verstehen.

Voraussetzungen

keine Angabe

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

Lern- und Lehrmethoden

Vorlesungen an Tafel und mit Projektor, Demonstrationsexperimente, Übungsaufgaben.

Medienformen

Vorlesungsfolien im Internet.

Literatur

  • R.J. Goldston, P.H. Rutherford, "Introduction to Plasma Physics", IOP Publishing Ltd 1995
  • J. Wesson, "Tokamaks", Oxford University Press 2011
  • U. Frisch, "Turbulence", Cambridge University Press 1996
  • Hazeltine, Waelbroeck, "The Framework of Plasma Physics", Westview Press 2004
  • D. Biskamp, "Magnetohydrodynamic Turbulence", Cambridge University Press 2008
  • F.F. Chen, "Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion", Springer 2016
  • A. Majda, "Nonlinear Dynamics and Statistical Theories for Basic Geophysical Flows", Cambridge University Press 2006
  • Applied Plasma Physics: Large Vortices, (Zonal Flows and Other Structures) in Fusion Reactors, Jupiter, Climate and Astrophysics

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

In einer schriftlichen Prüfung von 60 Minuten Dauer wird das Erreichen der Lernergebnisse durch Verständnisfragen und Beispielaufgaben bewertet.

Die Prüfung kann in Übereinstimmung mit §12 (8) APSO auch mündlich abgehalten werden, in diesem Fall ist der Richtwert für die Prüfungsdauer 25 Minuten.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.