@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{Kilian2015,
  author    = {Kilian, Patrick},
  title     = {Teilchenbeschleunigung an kollisionsfreien Schockfronten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-119023},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Das Magnetfeld der Sonne ist kein einfaches statisches Dipolfeld, sondern weist wesentlich kompliziertere Strukturen auf. Wenn Rekonnexion die Topologie eines Feldlinienb{\"u}ndels ver{\"a}ndert, wird viel Energie frei, die zuvor im Magnetfeld gespeichert war. Das abgetrennte B{\"u}ndel wird mit dem damit verbundenen Plasma mit großer Geschwindigkeit durch die Korona von der Sonne weg bewegen. Dieser Vorgang wird als koronaler Massenauswurf bezeichnet. Da diese Bewegung mit Geschwindigkeiten deutlich {\"u}ber der Alfv\'en-Geschwindigkeit, der kritischen Geschwindigkeit im Sonnenwind, erfolgen kann, bildet sich eine Schockfront, die durch den Sonnenwind propagiert. Satelliten, die die Bedingungen im Sonnenwind beobachten, detektieren beim Auftreten solcher Schockfronten einen erh{\"o}hten Fluss von hochenergetischen Teilchen. Mit Radioinstrumenten empf{\"a}ngt man zeitgleich elektromagnetische Ph{\"a}nomene, die als Radiobursts bezeichnet werden, und ebenfalls f{\"u}r die Anwesenheit energiereicher Teilchen sprechen. Daher, und aufgrund von theoretischen {\"U}berlegungen liegt es nahe, anzunehmen, daß Teilchen an der Schockfront beschleunigt werden k{\"o}nnen. Die Untersuchung der Teilchenbeschleunigung an kollisionsfreien Schockfronten ist aber noch aus einem zweiten Grund interessant. Die Erde wird kontinuierlich von hochenergetischen Teilchen, die aus historischen Gr{\"u}nden als kosmische Strahlung bezeichnet werden, erreicht. Die g{\"a}ngige Theorie f{\"u}r deren Herkunft besagt, daß zumindest der galaktische Anteil durch die Beschleunigung an Schockfronten, die durch Supernovae ausgel{\"o}st wurden, bis zu den beobachteten hohen Energien gelangt sind. Das Problem bei der Untersuchung der Herkunft der kosmischen Strahlung ist jedoch, daß die Schockfronten um Supernova{\"u}berreste aufgrund der großen Entfernung nicht direkt beobachtbar sind. Es liegt dementsprechend nahe, die Schockbeschleunigung an den wesentlich n{\"a}heren und besser zu beobachtenden Schocks im Sonnensystem zu studieren, um so Modelle und Simulationen entwickeln und testen zu k{\"o}nnen. Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich daher mit Simulationen von Schockfronten mit Parametern, die etwa denen von CME getriebenen Schocks entsprechen. Um die Entwicklung der Energieverteilung der Teilchen zu studieren, ist ein kinetischer Ansatz n{\"o}tig. Dementsprechend wurden die Simulationen mit einem Particle-in-Cell Code durchgef{\"u}hrt. Die Herausforderung ist dabei die große Spanne zwischen den mikrophysikalischen Zeit- und L{\"a}ngenskalen, die aus Gr{\"u}nden der Genauigkeit und numerischen Stabilit{\"a}t aufgel{\"o}st werden m{\"u}ssen und den wesentlich gr{\"o}ßeren Skalen, die die Schockfront umfasst und auf der Teilchenbeschleunigung stattfindet. Um die Stabilit{\"a}t und physikalische Aussagekraft der Simulationen sicherzustellen, werden die numerischen Bausteine mittels Testf{\"a}llen, deren Verhalten bekannt ist, gr{\"u}ndlich auf ihre Tauglichkeit und korrekte Implementierung gepr{\"u}ft. Bei den resultierenden Simulationen wird das Zutreffen von analytischen Vorhersagen (etwa die Einhaltung der Sprungbedingungen) {\"u}berpr{\"u}ft. Auch die Vorhersagen einfacherer Plasmamodelle, etwa f{\"u}r das elektrostatischen Potential an der Schockfront, das man auch aus einer Zwei-Fluid-Beschreibung erhalten kann, folgen automatisch aus der selbstkonsistenten, kinetischen Beschreibung. Zus{\"a}tzlich erh{\"a}lt man Aussagen {\"u}ber das Spektrum und die Bahnen der beschleunigten Teilchen.},
  subject      = {Stoßfreies Plasma},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Wisniewski2011,
  author    = {Wisniewski, Martina},
  title     = {Numerische Untersuchung von Turbulenz und Teilchentransport in der Heliosphaere},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-64652},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Hochenergetische solare Teilchen werden bei ihrem Transport durch die Heliosph{\"a}re an turbulenten Magnetfeldern gestreut. F{\"u}r das Verst{\"a}ndnis dieses Streuprozesses ergeben sich aus heutiger Sicht zwei wesentliche Hindernisse: - Bei der Streuung hochenergetischer Teilchen an turbulenten Magnetfeldern handelt es sich um einen nichtlinearen Prozess, der durch analytische Theorien kaum zu beschreiben ist. - Der Streuprozess h{\"a}ngt stark von den tats{\"a}chlichen Magnetfeldern und somit auch von der Magnetfeldturbulenz ab. Unser bisheriges Verst{\"a}ndnis der heliosph{\"a}rischen Turbulenz ist leider aufgrund sp{\"a}rlicher experimenteller Daten deutlich eingeschr{\"a}nkt, was eine qualifizierte Umsetzung in analytischen und numerischen Ans{\"a}tzen deutlich erschwert. Dies machte in der Vergangenheit k{\"u}nstliche Annahmen f{\"u}r die Modellerstellung notwendig. In dieser Arbeit wird der Teilchentransport mit Hilfe der Simulation von Testteilchen in einem turbulenten, magnetohydrodynamischen Plasma untersucht. Durch die Testteilchen werden auch die nichtlinearen Streuprozesse korrekt wiedergegeben, wodurch das erste hier genannte Hindernis {\"u}berwunden wird. Dies wurde auch bereits in fr{\"u}heren numerischen Untersuchungen erfolgreich angewendet. Die Modellierung der Turbulenz f{\"u}r den Fall des Teilchentransports erfolgt in dieser Arbeit erstmalig auf Grundlage der magnetohydrodynamischen Gleichungen. Dabei handelt es sich um die mathematisch korrekte Wiedergabe der Magnetfeldturbulenz unterhalb der Ionen-Gyrofrequenz mit nur geringen numerischen Einschr{\"a}nkungen. Dar{\"u}ber hinaus erlaubt ein auf das physikalische Szenario anpassbarer Turbulenztreiber eine noch realistischere Simulation der Turbulenz. Durch diesen universell g{\"u}ltigen, numerischen Ansatz k{\"o}nnen f{\"u}r das zweite hier angegebene Hindernis jegliche k{\"u}nstlichen Annahmen vermieden werden. Die drei im Rahmen dieser Arbeit erstmals zusammengef{\"u}hrten Methoden (Testteilchen, magnetohydrodynamische Turbulenz, Turbulenztreiber) erm{\"o}glichen somit eine Untersuchung und Analyse von Transport- und Turbulenzph{\"a}nomenen mit herausragender Qualit{\"a}t, die insbesondere f{\"u}r den Fall des Teilchentransports einen direkten Anschluss an experimentelle Ergebnisse erm{\"o}glichen. Wichtige Ergebnisse im Rahmen dieser Arbeit sind: - der Nachweis der Drei-Wellen-Wechselwirkung f{\"u}r schwache und einsetzende starke Turbulenz. - eine Analyse der Anisotropie der Turbulenz im Bezug auf das Hintergrundmagnetfeld in Abh{\"a}ngigkeit vom Treibmodell. Insbesondere die Anisotropie ist experimentell bislang kaum erfassbar. - eine Untersuchung der Auswirkung der Gyroresonanzen auf die Diffusionskoeffizienten hochenergetischer solarer Teilchen in allgemeiner Form. - die Simulation des Teilchentransports in der Heliosph{\"a}re auf Grundlage experimenteller Messdaten. Die genauere Analyse der Simulationsergebnisse erm{\"o}glicht insgesamt einen Zugang zum Verst{\"a}ndnis des Transports, der durch experimentelle Untersuchungen nicht erfassbar ist. Bei der Simulation wurden lediglich die Magnetfeldst{\"a}rke sowie die untersuchte Teilchenenergie vorgegeben. Aus der Analyse der Simulationsergebnisse ergibt sich dieselbe mittlere freie Wegl{\"a}nge, wie sie auch durch andere Verfahren direkt aus den Messergebnissen gewonnen werden konnte. Auch die vorwiegende Ausrichtung der hochenergetischen Teilchen parallel und antiparallel zum Hintergrundmagnetfeld in der Simulation entspricht experimentellen Untersuchungen. Es zeigt sich, dass diese allein aus den resonanten Streuprozessen der Teilchen mit den Magnetfeldern resultiert. Des Weiteren werden die Art der Diffusion, der Energieverlust der Teilchen w{\"a}hrend des Transportprozesses sowie die G{\"u}ltigkeit der quasilinearen Theorie untersucht.},
  subject      = {Sonnenwind},
  language  = {de}
}