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D 2;63 10 6 . In den Äquatorialschnitten sind Konvekti-
onszellen deutlich erkennbar, die flächig, nicht zylindrisch ausgebildet
sind und deren Dicke mit ansteigender Ekman-Zahl zunimmt. Die Me-
ridianschnitte zeigen, dass diese Strömungen nahezu zweidimensional,
parallel zur Erdumdrehungsachse verlaufen
Abb. 6.14 Numerische Simulation des Geodynamos und der freien
Konvektion im äußeren Erdkern (Mit Genehmigung durch © Mac-
millan Publishers Ltd aus Kageyama et al. 2008 ) . Gezeigt wird die
Vertikalkomponente der Wirbelstärke ( vorticity )
und b Ek
u des Strömungs-
felds u auf Querschnitten in der Äquator- und einer Meridianebene für
zwei Strömungszustände mit Ekman-Zahlen von a Ek
r
D 2;33 10 7
Werden Dichte und Volumenexpansion bei der Simulati-
on von freier Konvektion im flüssigen Erdkern nicht nur an
die Temperatur, sondern auch an die Konzentrationen einer
Mischung zweier Komponenten gekoppelt, so wirkt neben
dem thermischen auch ein stofflicher Auftrieb. Ein solcher
Ansatz beschreibt daher den Zustand im geschmolzenen
Eisenkern realistischer als die Beschränkung auf die rein
thermische Konvektion eines stofflich homogenen Fluids.
Denn in der hauptsächlich mit Schwefel und Nickel le-
gierten Eisenschmelze erstarrt vorzugsweise zunächst das
dichtere Eisen. Dieses sinkt sodann nach unten und la-
gert sich am inneren Kern an, wodurch die Restschmelze
leichter wird und nach oben steigt. Abbildung 6.15 illus-
triert den Einfluss der beiden Antriebsmechanismen anhand
von Momentaufnahmen der Temperatur-, Konzentrations-
und Strömungsfelder einer Simulation von freier Konvektion
im äußeren Erdkern. Bei überwiegend thermischem Antrieb
bildet sich eine geostrophische Strömung aus mit Aufwöl-
bungen der Isoflächen von Temperatur und Konzentration
vorwiegend in äquatorialen Breiten. Letztere sind breiter für
die Temperatur als für die Konzentration wegen der in der Si-
mulation angenommenen, im Vergleich mit der thermischen
Prandtl-Zahl tausendfach größeren stofflichen Prandtl-Zahl.
Sind beide Antriebe dagegen gleich stark oder überwiegt
der stoffliche, so schwindet der geostrophische Charakter
der Strömung, sie wird kleinteiliger mit weiteren Aufwöl-
bungen der Konzentration an den Polen, welche durch den
Aufstrom leichterer Schmelze bewirkt werden. Insgesamt
sind die stofflichen Aufströme auch stärker fokussiert. Ins-
gesamt bilden die Konvektionsströme unter Einwirkung der
wegen der raschen Erdumdrehung starken Coriolis-Kraft
parallel zur Drehachse ausgerichtete Taylor-Säulen aus. In
Abb. 6.15 wird deutlich, dass eine korrekte Beschreibung
der Konvektionssysteme im flüssigen Erdkern entscheidend
von der zutreffenden Charakterisierung der Antriebskräfte
abhängt. So beeindruckend diese numerischen Simulatio-
nen der Konvektion im äußeren Mantel sind, muss man
berücksichtigen, dass sie bei einem Wert der Ekman-Zahl
von Ek D 10 3 berechnet wurden, der um zwölf Größen-
ordnungen über dem für den äußeren Kern als plausibel
betrachteten Wert liegt (siehe Tab. 5.7 ) , um den Rechen-
aufwand in akzeptablen Grenzen zu halten. Der bislang
geringste in Konvektionsrechnungen für den Erdkern er-
reichte Wert ist der um vier Größenordnungen kleinere von
Kageyama et al. ( 2008 ) .
Jahre später, im Juni 2013, war der schnellste Rechner der Welt (der
chinesische Tianhe-2 mit 54 902 TFLOPS) ca. 1530 Mal schneller als
seinerzeit der Earth Simulator . Im Juni standen vier der weltweit leis-
tungsfähigsten Rechner in Deutschland - in Jülich (Nr. 7), München
(Nr. 9), Stuttgart (Nr. 32) und Frankfurt (Nr. 97). Die aktuelle, halb-
jährlich aktualisierte Rangliste Top 500 Supercomputer Sites findet sich
unter http://www.top500.org .
 
 
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