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Prof. Dr. Ulrich Hansen
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Die Erde in Bewegung

Aussehen und Magnetfeld der Erde

werden von Konvektionsströmungen geprägt

Gifanim

Ulrich Hansen & Jörg Schmalzl

Einleitung

Die Instrumente der Geodynamik: Wissenschaftliches Rechnen und Computermodellierung
Die Mantelkonvektion als Antrieb der Plattentektonik
Die Entstehung des Erdmagnetfeldes
Ausblicke

Die Instrumente der Geodynamik:
Wissenschaftliches Rechnen und Computermodellierung

Obgleich die Erkenntnisse über das Innere der Erde noch längst nicht vollständig sind, sind sich die Wissenschaftler darüber einig, welche mathematischen Gleichungen die Prozesse im Erdinnern beschreiben. Es ist ein kompliziertes System aus partiellen Differentialgleichungen, die sich aus physikalischen Gesetzmäßigkeiten ableiten lassen und die Erhaltung von Masse, Energie und Impuls beschreiben. Die Lösungen dieser Gleichungen beschreiben die räumliche und zeitliche Entwicklung der Strömungsgeschwindigkeit, der Temperatur und, für den Fall des Geodynamos, auch die Entwicklung des Magnetfeldes. Wie oben angedeutet lassen sich allerdings mit herkömmlichen (analytischen) mathematischen Methoden keine Lösungen dieser Gleichungen finden. Man wendet daher numerische Verfahren an, die Näherungslösungen liefern. Treibt man genügend hohen Aufwand, so können die Lösungen beliebig genau sein. Der Aufwand wird bestimmt durch die Güte des mathematischen Verfahrens sowie durch die Leistungsfähigkeit der verwendeten Computer. Die noch immer explosionsartig anwachsende Leistungsfähigkeit der Computer hat dazu beigetragen, dass sich die Methode des wissenschaftlichen Rechnens (oft als Scientific Computing oder Computational Physics bezeichnet) heute neben theoretischer- und experimenteller Angehensweise etabliert hat. Geophysik, Meteorologie, Astrophysik und Ozeanographie sind Bereiche physikalischer Forschung, in denen diese Methodik eine besonders große Rolle spielt. Der Aufwand, der in der Geodynamik getrieben werden muss, ist dabei vergleichbar mit dem, der für die Klimaforschung notwendig ist. Als Beispiel mag eine Bahnbrechende Arbeit der amerikanischen Kollegen Glatzmaier und Roberts dienen, denen 1995 die erste Simulation einer magnetischen Feldumkehr gelang. Ein einziges ihrer Computerexperimente verschlang mehr als 3000 Stunden auf den Supercomputern der Los Alamos National Laboratories. Erfolgversprechende geodynamische Forschung hängt heute wesentlich vom hohen Wissensstand der Forscher auf numerischem und computertechnischen Gebiet und von der Verfügbarkeit leistungsfähiger Computer ab. Am Institut für Geophysik stehen derzeit zahlreiche, zumeist selbst entwickelte numerische Verfahren zur Verfügung, die ständig von den Wissenschaftlern und auch Studierenden weiterentwickelt werden. Zur Durchführung der Simulationen (wir sprechen lieber von Experimenten) wird ein abgestuftes Konzept angewandt. Vorstudien können eventuell auf leistungsfähigen PC's durchgeführt werden, so genannten Produktionsläufe dann auf Workstations oder auf Supercomputern wie der Cray T3E im John von Neumann Rechenzentrum in Jülich. Dazu ist es notwendig das Programme einfach von einer Plattform zu einer anderen portiert werden können.

Derzeitig ist dies am besten unter dem Betriebssystem UNIX möglich, auf das das Institut für Geophysik daher konsequent setzt. Auch in Zukunft werden die Möglichkeiten geodynamischer Forschung stark von der Leistungsentwicklung der Computer abhängen. Eine wesentliche Steigerung erwartet man in der nächsten Zeit von Parallel-Rechnern, bei denen mehrere Prozessoren zur Lösung eines Problems verwendet werden. Die effiziente Nutzung solcher Parallelrechner erfordert allerdings neue Strategien hinsichtlich der Lösungsmethoden. Am Institut für Geophysik konnte kürzlich eine Parallelrechner, bestehend aus 33 Prozessoren beschafft werden (Abb. 4).

Cluster 
 

Abb. 4: Parallelrechner, derzeit bestehend aus 33 Knoten, wird zur Lösung besonders rechenintensiver Aufgaben wie der Simulation des Geodynamos benötigt.



Dieser derzeit leistungsfähigste Rechner an der Universität Münster wird für besonders rechenintensive Forschungsaufgaben benötigt, er wir aber auch eingesetzt, um Studierende möglichst früh an den hochmodernen Bereich des parallelen Rechnens heranzuführen.

Neben numerischer Methodik und computertechnischem 'Know-how' gibt es einen weiteren Bereich, der zum Instrumentarium der Geodynamik gehört. Es ist die Visualisierung der Ergebnisse. Würde man die Resultate eines typischen Experimentes auf Papier ausdrucken, so würde dies viele tausend Seiten bedeuten, die eigentliche Information bliebe dem Forscher jedoch verborgen. Mit zunehmender Komplexität der Modelle ist eine geeignete Darstellung der Resultate nicht mehr nur zur Präsentation sondern bereits zum Verständnis der Experimente notwendig. Die Darstellung komplizierter Strömungs-, Temperatur- und Magnetfelder, die sich stark mit der Zeit ändern, ist nicht trivial. Auch auf diesem Gebiet wird an unserem Institut intensiv gearbeitet. Die Darstellung einiger Forschungsergebnisse in den folgenden zwei Abschnitten soll dies demonstrieren.



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