Fluiddynamik im Plastikeimer

Von Jakob Deutloff und Nils Niebaum

Es kann schwer sein, sich komplexe physikalische Prozesse vorzustellen. Hier geht es um eine spielerische Lösung. 

Als Studenten stehen wir regelmäßig vor diesem Problem, besonders häufig im Atmosphären- und Ozeandynamik Kurs.  Um uns das Leben etwas zu erleichtern, führt unser Dozent Dr. Torge Martin, unterstützt von Dr. Mirjam Glessmer, dieses Semester Tankexperimente mit uns durch. 

Mit sehr einfachen Mitteln, wie Lebensmittelfarbe und Legobausteinen, stellen wir dabei komplizierte fluiddynamische Phänomene quasi im Plastikeimer dar.  

Wenn der Kuchen erklärt sind die Krümel leise

Eines dieser Phänomene sind die sogenannten Rossbywellen, die unter anderem für unser wechselhaftes Wetter sorgen. Dabei wird der Jetstream, ein starker Höhenwind, der in mittleren Breiten auftritt, wellenförmig nach Norden und Süden ausgelenkt. Dies sorgt entweder für warme oder kalte Luftmassen im betreffenden Gebiet. Auf der Erde können diese Wellen durch Änderung der Wassertiefe im Ozean und durch Gebirge in der Atmosphäre entstehen oder auf Grund der Kugelform der Erde.

Modell des durch Rossbywellen ausgelenkten Jetstreams © NASA

In unserem Experiment haben wir uns für eine Änderung in der Topografie (Wasserhöhe) entschieden. Diese wurde mit Hilfe einer Plexiglasscheibe erreicht, welche im Tank eine schiefe Ebene bildete. Für das Erzeugen der Wellen wurde der Tank mit Wasser gefüllt und in gleichmäßige Rotation versetzt. Nach 10 Minuten kam dann ein mit Lebensmittelfarbe eingefärbter Eiswürfel ins Spiel, der beim Aufschmelzen die Farbe im Wasser hinterließ, die die Wellen beobachtbar macht. 

Erster Versuch: Die Farbe mischt sich gleichmäßig

Beim ersten Versuch wurden wir leider enttäuscht und bekamen nur nichtssagende Farbschlieren zu sehen. Grund dafür war wohl unsere Ungeduld gepaart mit mangelnder Vorsicht. Wiederholtes auf den Labortisch setzten können wir zum Beispiel nicht empfehlen. Beim zweiten Versuch lief alles Rund und die erwartete Wellenform war zu bestaunen. Im Bild erkennt man klar die auf einer Höhe der Schiefen Ebene laufende Welle, sichtbar gemacht durch die blaue Farbe. Mit etwas Fantasie sieht das ganze so aus wie der Jetstream im oberen Bild, quasi ein kleiner Jetstream im Plastiktank.

Zweiter Versuch: Die blaue Farbe zeigt eine klare Wellenfront

Im Entstehungsprozess dieses Bildes hat sich der Eiswürfel bereits aufgelöst und die Farbe wurde mit der Welle zur Seite hin vermischt. Wer sich jetzt fragt warum und schon immer gerne geplanscht hat, dem empfehlen wir das Studium am GEOMAR.

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