Chaotisch erscheinende Turbulenzen in Wolken oder in Wasser enthalten viel mehr Ordnung als gedacht. Entgegen bisherigen Annahmen bewegen sich Teilchen in einer turbulenten Strömung in gerichteten Wirbeln, ähnlich einem Eisläufer bei einer Pirouette. Das entdeckten Forscher mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Wie sie jetzt in „Nature Physics“ berichten, bedeutet dieses Verhalten jedoch, dass der Drehimpuls erhalten bleibt und damit die lange Zeit als widerlegt geltende Theorie der so genannten Energiekaskade doch stimmt.
Schon in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts fragten sich Physiker, wie Turbulenzen die Energie einer gerichteten Strömung in ungerichtete Wärmeenergie umwandeln. Sie erklärten es bildlich mit der so genannten „Energiekaskade“: Demnach strömt die Bewegungsenergie, etwa die eines Flusses, während er einen Wasserfall hinunterstürzt, zunächst in große Wirbel, die sich schnell drehen. Die großen Wirbel zerfallen in kleinere, diese wiederum in immer noch kleinere. Dabei verlangsamen sich die Drehgeschwindigkeiten der Wirbel, je kleiner diese werden. Bei den langsam drehenden Miniwirbeln schließlich wirkt sich die Reibung so stark aus, dass die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird.
Hochgeschwindigkeitsaufnahmen enthüllen Teilchenverhalten
Verstanden haben Forscher die Mechanismen in der Turbulenz jedoch noch nicht. Ein solches Verständnis könnte die Modellierung turbulenter Vorgänge im Computer deutlich erleichtern und dadurch etwa die Simulation von Wolken in Klimamodellen verbessern. Die Physiker Eberhard Bodenschatz und Haitao Xu vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und Alain Pumir von der Ecole Normale Superieure de Lyon haben nun einen wichtigen Schritt hin zum Verständnis der Turbulenzen getan. Sie entdeckten eine wesentliche Zutat von turbulenten Strömungen, indem sie erstmals die Perspektive eines in der turbulenten Strömung mitschwimmenden Teilchens einnahmen.
Dazu beobachteten sie in einer turbulenten Wasserströmung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera Polystyrolteilchen, die von einem sehr hellen Laser beleuchtet wurden. Bei der Analyse der im extremen Zeitraffer mit 30.000 Bildern pro Sekunde aufgenommenen Bilder griffen sie sich ein Teilchen heraus, das von drei weiteren je gleich weit entfernten Partikeln umgeben war, sodass sie zusammen einen Tetraeder bildeten. Sie verfolgten, wie sich die Lage der Teilchen zueinander mit der Zeit veränderte
Pirouetten-Effekt auf allen Ebenen
Das Ergebnis erstaunte die Physiker: Die Teilchen vollführten einen Tanz wie ein Eisläufer, der eine Pirouette ausführt. Wenn er während der Drehung um die eigene Achse die Arme anwinkelt, verlagert sich Masse von außen nach innen, dadurch erhöht sich seine Drehgeschwindigkeit drastisch. Einen entsprechenden Effekt beobachteten die Forscher auch im turbulenten Wasser. Die Strömung streckte den Tetraeder und richtete seine Drehachse parallel zur ursprünglichen Streckrichtung der Strömung aus. Dadurch stieg die Drehgeschwindigkeit – ein Hinweis auf eine Erhaltung des Drehimpulses wie beim Eisläufer. „Wir verstehen noch nicht, warum das so ist“, so Bodenschatz.
Modell der Energiekaskade bestätigt
Eigentlich sollten die Wirbel im Chaos einer turbulenten Strömung Drehmomente erfahren, die ihren Drehimpuls ändern. Der „Pirouetten-Effekt“ zeigt jedoch, dass innerhalb des Durcheinanders der Turbulenz „eine ziemlich große Ordnung“ herrscht. Die Göttinger Physiker untersuchten mit der geschilderten Methode Wirbel von einigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern Durchmesser. „Alle zeigten den Pirouetten-Effekt“, so Bodenschatz. „Unser Ergebnis spricht für das Modell der Energiekaskade.“ Und bestätigt es damit, obwohl es in den letzten rund 30 Jahren als widerlegt galt.
„Diese Rechnungen betrachteten aber immer nur Momentaufnahmen des Strömungsfelds“, sagt Bodenschatz. Sie stellen also sozusagen Blitzlichtaufnahmen dar. „Wir hingegen haben erstmals Wirbel beobachtet wie sie mit der Flüssigkeit mitschwimmen“, so der Physiker. Bodenschatz sieht in dem Ergebnis einen Schritt hin zur Lösung eines wichtigen Problems bei der Simulation von Turbulenz im Rechner. „Man kann schon viele Aspekte von Turbulenz simulieren, aber noch nicht, wie die verschiedenen Größenskalen miteinander wechselwirken.“ Dies könne sich durch ein besseres Verständnis der Dynamik von Wirbeln unterschiedlicher Größe ändern. (Nature Physics, 2011; DOI: 10.1038/NPHYS2010)
(Max-Planck-Gesellschaft, 07.06.2011 – NPO)
