@phdthesis{Lange2012,
  author    = {Lange, Sebastian},
  title     = {Turbulenz und Teilchentransport in der Heliosph{\"a}re - Simulationen von inkompressiblen MHD-Plasmen und Testteilchen -},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-74012},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Die Herkunft hochenergetischer solarer Teilchen konnte in den vergangenen Jahren eindeutig auf Schockbeschleunigung an koronalen Masseausw{\"u}rfen zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Durch resonante Interaktionen zwischen Wellen und Teilchen werden zum einen geladene Teilchen unter Ver{\"a}nderung ihrer Energie gestreut, zum anderen wird die Dynamik der Plasmawellen in solchen Beschleunigungsregionen durch diese Prozesse von selbstgenerierten Wellenmoden maßgeblich beeinflusst. Mittels numerischer Modellierungen wurden im Rahmen dieser Arbeit die grundlegenden physikalischen Regimes der Turbulenz und des Teilchentransports beschrieben. Die Simulation der Plasmadynamik bedient sich der Methodik der Magnetohydrodynamik, wohingegen kinetische Einzelteilchen durch die elementaren Bewegungsgleichungen der Elektrodynamik berechnet werden. Es konnten die Turbulenztheorien von Goldreich und Sridhar unter heliosph{\"a}rischen Bedingungen bei drei solaren Radien best{\"a}tigt werden. Vor allem zeigten sich Hinweise f{\"u}r das Erreichen der kritischen Balance, einem Schl{\"u}sselparameter dieser Theorien. Weiterhin werden Ergebnisse der dynamischen Entwicklung angeregter Wellenmoden pr{\"a}sentiert, in denen die Bedeutsamkeit f{\"u}r die gesamte Turbulenz gezeigt werden konnte. Als zentraler Prozess bei hohen Energien hat sich das wave-steepening herausgestellt, das als effizienter Energietransportmechanismus in paralleler Richtung zum Hintergrundmagnetfeld identifiziert wurde und somit turbulente Strukturen bei hohen parallelen Wellenzahlen erkl{\"a}rt, deren Entstehung das Goldreich-Sridhar Modell nicht beschreiben kann. Dar{\"u}ber hinaus wurden grundlegende Erkenntnisse {\"u}ber die quasilineare Theorie des Teilchentransports erzielt. Im Speziellen konnte ein tieferes Verst{\"a}ndnis f{\"u}r die Interpretation der Diffusionskoeffizienten von Welle-Teilchen Wechselwirkungen erlangt werden. Simulationen zur Streuung an angeregten Wellenmoden zeigten erstmals komplexe resonante Strukturen die im Rahmen analytischer Modelle nicht mehr ad{\"a}quat beschrieben werden k{\"o}nnen.},
  subject      = {Heliosph{\"a}re},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Burkart2010,
  author    = {Burkart, Thomas},
  title     = {Der Einfluss des fundamentalen Massenverh{\"a}ltnisses auf die Teilchenbeschleunigung durch Plasmainstabilit{\"a}ten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56636},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein dreidimensionaler vollrelativistischer und parallelisierter Particle-in-Cell Code geschrieben, ausf{\"u}hrlich getestet und angewandt. Der Code ACRONYM ist variabel einsetzbar und von der Genauigkeit und Stabilit{\"a}t her State-of-the-Art und somit konkurrenzf{\"a}hig zu den sonstigen in der Astrophysik eingesetzten Codes anderer Gruppen. Die Energie bleibt bis auf einen Fehler von < 0.03\% erhalten, die Divergenz des Magnetfeldes bleibt immer unter einem Wert von 10^{-12} und die Skalierung wurde mittlerweile bis zu einem Clustergr{\"o}ße von einigen 10000 CPUs getestet. In dieser Arbeit wurde dann, nach der Entwicklung des Codes, der Einfluss des fundamentalen Massenverh{\"a}ltnisses m_p/m_e auf die Teilchenbeschleunigung durch Plasmainstabilit{\"a}ten untersucht. Dies ist relevant und wichtig, da in PiC-Simulationen in den allermeisten F{\"a}llen nicht mit dem realen Massenverh{\"a}ltnis gerechnet wird, da sonst viel zu viel Rechenleistung ben{\"o}tigt w{\"u}rde, um zu sehen, was mit den Protonen geschieht und was ihr Einfluss auf die leichten Teilchen wie Elektronen und Positronen ist. Zu diesem Zweck wurden Simulationen mit Massenverh{\"a}ltnissen zwischen m_p/m_e = 1.0 und 200.0 durchgef{\"u}hrt. Diese haben alle gemeinsam, dass periodische Randbedingungen verwendet wurden und das zur Verf{\"u}gung stehende Simulationsgebiet mit jeweils zwei gegeneinander str{\"o}menden Plasmapopulationen vollst{\"a}ndig gef{\"u}llt wurde, um jegliche Art von auftretenden Schocks auszuschließen. Die Rohdaten der einzelnen Simulationen wurden auf vielf{\"a}ltige Art und Weise analysiert, es wurden z.B. Schnitte durch die Teilchenverteilung erstellt, sowie ein- oder zweidimensionale Histogramme und Energieverl{\"a}ufe betrachtet. Dabei haben sich folgende Kernpunkte ergeben: F{\"u}r Massenverh{\"a}ltnisse bis etwa m_p/m_e = 20 bildet sich die gesamte Zweistrom-Instabilit{\"a}t in nur einer Phase aus, das heißt, es bilden sich von ringf{\"o}rmigen Magnetfeldern umgebene Flussschl{\"a}uche aus, die dann verschmelzen, bis nur noch zwei {\"u}brig sind und alle Teilchen werden {\"u}ber den gesamten Verlauf der Instabilit{\"a}t beschleunigt. Es ist damit zu folgern, dass die unterschiedlich schweren Teilchenspezies Protonen und Elektronen/Positronen durch die relativ nahe beieinander liegenden Massen noch so stark gekoppelt sind, dass sich nur eine Instabilit{\"a}t entwickeln kann. Bei großen Massenverh{\"a}ltnissen (m_p/m_e > 20) ist eine deutliche Trennung in zwei Phasen der Instabilit{\"a}t zu erkennen. Zuerst bilden sich wiederum Flussschl{\"a}uche aus, diese verschmelzen miteinander (zu zweien oder mehr), bevor der erste Teil der Instabilit{\"a}t abflaut. Anschließend entstehen wieder ringf{\"o}rmige Magnetfelder und Flussschl{\"a}uche, von denen einer meist deutlich st{\"a}rker ist als all die anderen, das bedeutet, dass dieser von st{\"a}rkeren Magnetfeldern umgeben ist und eine h{\"o}here Teilchendichte aufweist. Im Rahmen dieser zweigeteilten Instabilit{\"a}t werden die Elektronen und Positronen nur in der ersten Phase signifikant beschleunigt, die deutlich schwereren Protonen gewinnen {\"u}ber den gesamten Zeitraum Energie. Die h{\"o}chstenergetischen Teilchen erreichen im Ruhesystem der jeweiligen Plasmapopulation Werte um gamma = 250. Man kann daraus f{\"u}r zuk{\"u}nftige Untersuchungen mit Hilfe von Particle-in-Cell Codes den Schluss ziehen, dass R{\"u}ckschl{\"u}sse auf das tats{\"a}chliche Verhalten beim realen Massenverh{\"a}ltnis von m_p/m_e = 1836.2 nur aus den Simulationen mit m_p/m_e >> 20 gezogen werden k{\"o}nnen, da die starke Kopplung der leichten und schweren Teilchen bei kleineren Massenverh{\"a}ltnissen die Ergebnisse sehr stark beeinflusst. Es wurde anhand der gemessenen Zeitpunkte der Instabilit{\"a}tsmaxima eine Extrapolation durchgef{\"u}hrt, die zeigt, dass die Instabilit{\"a}t beim realen Massenverh{\"a}ltnis etwa bei t = 1400 omega_{pe}^{-1} auftreten w{\"u}rde. Um dies wirklich zu simulieren m{\"u}sste allerdings mehr als die 1000-fache Anzahl an CPU-Stunden aufgewandt werden. Des weiteren wurde eine Maxwell-J{\"u}ttner-Verteilung an die Teilchenverteilungen der einzelnen Simulationen auf dem H{\"o}hepunkt der Instabilit{\"a}t gefittet, um sowohl die neue Temperatur des Plasmas als auch die Beschleunigungseffizienz des Prozesses zu berechnen. Die Temperatur erh{\"o}ht sich demnach durch die Instabilit{\"a}t von etwa 10^8K auf 10^{10} bis 10^{11}K, der Anteil suprathermischer Teilchen betr{\"a}gt 2 bis 4\%.},
  subject      = {Astrophysik},
  language  = {de}
}