Modeling of diffusive and double-diffusive flows in ocean and in stars

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In einer stabilen vertikalen Schichtung nimmt die Dichte entgegen dem Verlauf der Schwerkraft nach oben hin ab. Die Stabilität einer solchen Schichtung hängt jedoch auch vom Verlauf der Temperatur und den Konzentrationen verschiedener Komponenten ab, aus denen das Fluid besteht. Zwei Fälle sind für die Ozeanographie und für die stellare Astrophysik von besonderem Interesse.1. Fällt die Temperatur nach oben hin rasch ab, kann dies einen Auftrieb erzeugen, bei dem heißeres, leichtes Material nach oben hin aufsteigt (Konvektion). Solche konvektiv instabilen Schichtungen treten in Wolken auf ebenso wie in Ozeanen und in den äußeren 30% unserer Sonne. Wirkt diesem Auftrieb ein stabilisierender Gradient des mittleren Molekulargewichts entgegen (salzarmes Wasser über salzigerem Wasser, wasserstoffreiches über heliumreichem Plasma), kann es zur sogenannten „Semikonvektion“ kommen.2. Nimmt die Temperatur nach oben hin zu, kann dies eine zunächst stabile Schichtung erzeugen. Wirkt nun dem stabilisierenden Temperaturgradienten ein destabilisierender Gradient des mittleren Molekulargewichts entgegen (salzigeres Wasser über salzarmem Wasser), so können die sogenannten „Salzfinger“ entstehen.Da die Wärmediffusion, das Mischen von Material mit verschiedenem Molekulargewicht (Salz, Wasserdampf, Helium, etc.) und die Konvektion selbst auf sehr unterschiedlichen Zeit– und Längenskalen ablaufen und auch miteinander wechselwirken, bereitet die numerische Simulation dieser Klasse von Strömungen besondere Schwierigkeiten. Ziele des Projektes sind hochaufgelöste numerische Simulationen mit Gitterverfeinerung, die ein besseres Verständnis der Mischungsvorgänge bei dieser so genannten diffusiven und doppelt–diffusiven Konvektion ermöglichen sollen, wie auch die Überprüfung der Parametrisierung dieser Mischungsvorgänge in Turbulenzmodellen. Diese sind für globale Simulationen wichtig, etwa von Ozeanströmungen, Klimaentwicklung, oder auch bei der Sternentwicklung.