Turbulenzen Laser durchleuchten das Chaos

Verwirbelungen in Ozean oder Atmosphäre zu verstehen ist eine der größten Herausforderungen für Naturwissenschaftler. Ein Experiment enthüllt nun das Verhalten einzelner Teilchen - und zeigt: Fast 80 Jahre lang benutzten viele Forscher die falsche Formel.

Von Stefan Schmitt


Ein Schluck Milch, hineingegossen in den heißen Kaffee, genügt - und in der Tasse herrscht Chaos. Lecker zwar, aber für Forscher kaum nachzuvollziehen. Das Chaos der sich vermischenden Flüssigkeiten ist selbst mit rechenstärksten Computern kaum zu modellieren - weil Naturwissenschaftler und Ingenieure die Turbulenzen nicht verstehen, die für die Verwirbelungen verantwortlich sind.

Jetzt zeigt sich, dass Jahrzehnte alte Annahmen über die Regeln für dieses Chaos falsch waren. Zum ersten Mal konnten Forscher zwei der Grundlegenden Voraussagen zur Verwirbelung von Teilchen experimentell untersuchen. Das Team aus Dänemark, Deutschland, Frankreich und den USA kam dem Chaos der Turbulenzen in einer Flüssigkeit mit Hightech auf die Schliche: In einem Wassertank wurden 25 Mikrometer kleine Kugeln von einer Strömung verwirbelt und gleichzeitig mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen. 25.000 Mal pro Sekunde wurden die Polystyrol-Kügelchen im Wassertank gefilmt - eine ähnliche Technik wie bei Aufnahmen für Kinofilme, die in Zeitlupe abgespielt werden sollen. Unter Physikern wird der Tank schlicht "french washing machine" genannt, die französische Waschmaschine.

Eberhard Bodenschatz vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen leitet das Forschungsteam. Das größte Problem bei dem Experiment bestand darin, einzelne Teilchen im Gewimmel (siehe unteres Video) zu verfolgen und ihre Distanz zu anderen Teilchen zu messen. Dazu befestigten die Forscher gleich drei Hochgeschwindigkeitskameras außerhalb des Wassertanks, so dass die Flüssigkeit aus drei Perspektiven gleichzeitig gefilmt wurde. Durch die Beleuchtung mit einem sehr hellen Laserstrahl entstand so ein Teilchen-Verfolgungssystem. "Damit war es möglich, mehrere Teilchen gleichzeitig auch bei hohen Turbulenzwerten zu verfolgen", sagte Bodenschatz im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE.

Altes Gesetz widerlegt

Eine Software übernahm die für Menschen schlicht unmögliche Aufgabe, die Teilchen auf den Einzelbildern der drei verschiedenen Kameras einander zuzuordnen. Per Triangulation, einer Standardrechnung aus der Geometrie, ließ sich dann der Weg einzelner Teilchen am Computerbildschirm nachvollziehen - und ihre Bewegung im Verhältnis zueinander.

Die Computeranimation (siehe oberes Video) zeigt: Die meisten Teilchen, blau gefärbt, sind deutlich langsamer als vermutet. Es gibt aber auch schnellere, sie erscheinen grün, gelb oder rot. Die roten sind sehr schnell, sie bewegen sich mit bis zu einem Meter pro Sekunde.

Wie schnell bewegen sich anfangs nahe beieinander befindliche Partikel voneinander weg? Dies ist eine der ältesten Fragen der Dynamik. Es gab zwei verschiedene Antworten darauf. Eine hatte der Brite Lewis F. Richardson 1920 gegeben: Ihr zufolge hängt der durchschnittliche Abstand von der Zeit ab, nicht aber vom anfänglichen Abstand der Teilchen voneinander. Der Australier George Batchelor dagegen hatte in den fünfziger Jahren behauptet, der Anfangsabstand sei sehr wohl von Belang.

Wie Bodenschatz' Gruppe jetzt im Fachblatt "Science" schreibt, bestätigte das Experiment die Voraussage Batchelors. Das nach Richardson benannte Richardson-Obukhov-Gesetz hingegen erwies sich als irrelevant. Die Forscher konnten es in ihrem Versuchsaufbau nicht finden, und erwarten daher, dass es auch für andere auf der Erde normale Turbulenzen nicht von Belang ist. Viele Naturwissenschaftler und Ingenieure hatten das Gesetz weltweit ihren Berechnungen zugrunde gelegt.

Wichtig für Klima, Umweltschutz und Kaffee

"Immer, wenn etwas in den Ozeanen oder der Atmosphäre transportiert wird, ist das turbulent", sagt Bodenschatz. Nicht nur in der Kaffeetasse, auch im großen Maßstab soll das Experiment mit den Plastikkügelchen in Superzeitlupe den Forschern helfen. Denkbare Einsatzgebiete sind etwa Klimaberechnungen oder Modelle der Wolkenbildung, bei denen darum geht, wie sich Schadstoffe ausbreiten und Ozon in oberen Luftschichten abgebaut wird. Auch wenn Tiere mit Hilfe von Duftstoffen ihre Partner finden, sind Turbulenzen im Spiel. Wer diese Phänomene verstehen will, muss die Verwirbelung kleinster Teilchen verstehen - und ab jetzt ist das Chaos ein wenig verständlicher.

Die bisherigen Messungen wurden an der US-amerikanischen Cornell University durchgeführt. Künftig geht die Forschung in Göttingen weiter. "Meine ganze Gruppe kommt im Juli nach Deutschland", sagt Bodenschatz. Bis dann soll der neue Hochturbulenz-Windkanal in Betrieb gehen, in dessen Tank die hohe Dichte der Atmosphäre im Modell nachgebildet werden kann. Auf der Homepage kann man das neue Institutsgebäude schon per Webcam anschauen.



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