Preise und Auszeichnungen 2004

Ferdinand-von-Lindemann-Preis 2004

Ziel der Arbeit "Solving the System of Radiation Magnetohydrodynamics for solar physical simulations in 3d " war die Entwicklung numerischer Werkzeuge, um Simulationen der solaren Atmosphäre durchzuführen, mit deren Hilfe offene Fragen wie etwa die Entstehung von Sonnenflecken untersucht werden sollten. Die Arbeit entstand im Rahmen eines DFG Schwerpunktprogramms in Kooperation mit einer Gruppe von Sonnenphysikern am Kiepenheuer Institut in Freiburg und am Max-Planck Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg Lindau.

Begründung: In Folge unserer immer stärker werdenden Abhängigkeit von empfindlichen technischen Geräten hat auch die Bedrohung durch die elektrisch geladenen Sonnenstürme zugenommen. Über deren Entstehung ist bisher nicht viel bekannt, bedingt durch die Schwierigkeiten, direkte Messungen vorzunehmen. Daher sind numerische Simulationen ein unverzichtbares Werkzeug zum besseren Verständnis der physikalischen Prozesse im Inneren der Sonne und ein wichtiger Schritt, um zuverlässige Vorhersagen machen zu können. Bei der Entwicklung solcher Methoden kann die numerische Mathematik einen zentralen Beitrag leisten.

Methodik: Es wurde ein Finite-Volumen Verfahren entwickelt, welches besonders gut geeignet ist, die sehr unterschiedlichen physikalischen Prozesse zu behandeln. Besonders wichtig ist dabei die Wechselwirkung des Plasmas mit Magnetfeldstrukturen, so wie die korrekte Berechnung des Strahlungsfeldes. Zur Steigerung der Effizienz der Verfahren wurden sowohl Parallelisierung wie auch lokale Gitteradaption eingesetzt.

Ergebnisse: Die Berechnung zeitabhängiger Prozesse in drei Raumdimensionen ist sehr zeitaufwendig, so dass die Effizienz der Verfahren besondere Beachtung finden musste. Hierbei ist uns eine Verbesserung der einzelnen Teile der Algorithmus gelungen, die zu einer Verringerung der Laufzeit um einem Faktor von 10 bis 100 führen. Weiterhin lag ein Hauptaugenmerk auf der mathematischen Rechtfertigung der eingesetzten Methoden, wobei entsprechende Abschätzungen der Approximationsfehler bewiesen wurden.

Diskussion: Eine vollständige Beschreibung und Simulation der solaren Atmosphäre ist mit den heutigen Mitteln noch nicht möglich. Zum einen stehen dem die extremeren Orts- und Zeitskalen im Wege, zum anderen die vielfältigen physikalischen Prozesse, deren vollständige Behandlung noch zu aufwendig ist. Zur Untersuchung einzelner Phänomene allerdings können die modernen mathematischen Methoden einen entscheidenden Beitrag leisten.

Schlußfolgerung: Bei der Behandlung solcher komplexen Probleme kommt sowohl der effizienten Umsetzung der Verfahren mit modernsten Methoden der Informatik, wie auch deren mathematische Fundierung, eine zentrale Bedeutung zu. Eine endgültige Validierung der Methoden wiederum kann nur in enger Zusammenarbeit mit Sonnenphysikern erfolgen. Ein Schritt zur Verknüpfung dieser unterschiedlichen Anforderungen ist in dieser Arbeit durchgeführt worden.