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Göttinger Max-Planck-Forscher weisen nach, wie kleinste Teilchen in Turbulenzen auseinander fliegen - und beantworten eine seit Jahrzehnten offene Frage
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Teilchen in der Turbulenz. Die kleinen Perlen in dieser Darstellung visualisieren jedes zweite Bild, aufgenommen von einer Hochgeschwindigkeitskamera, also ein Bild alle 74 Mikrosekunden. Die großen Perlen entsprechen jedem 30. Bild, sie sind also nur 2,2 Millisekunden auseinander. Die Farbe der Kügelchen gibt die Geschwindigkeit der Teilchen wieder - blaue Teilchen sind sehr langsam, während die roten Teilchen sogar Geschwindigkeiten bis zu einem Meter pro Sekunde erreichen.
Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation
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Turbulenzen treten überall auf: In der Sonne ebenso wie im Milchkaffee, im Verbrennungsmotor wie in der Biologie. Für Naturwissenschaftler und Ingenieure zählen sie zu den seit langem nicht verstandenen Problemen. Nun ist es Forschern des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen und der Cornell University, USA, gemeinsam mit Kollegen des Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels des CNRS (UMR) in Grenoble, Frankreich, sowie vom Risø National Laboratory in Roskilde, Dänemark, erstmals gelungen, Jahrzehnte alte theoretische Vorhersagen über die Ausbreitung von Teilchen in starken Turbulenzen einem experimentellen Test zu unterziehen. Mit einem eigens entwickelten System von Hochgeschwindigkeitskameras wiesen sie nach, dass sich die Teilchen anders und langsamer auseinander bewegen als bislang angenommen. Ihre Ergebnisse können dazu dienen, bessere Modelle zum Transport und zur Ausbreitung von Chemikalien oder biologischen Substanzen zu entwickeln.
Turbulenzen sind allgegenwärtig: Wenn man Milch in den Kaffee gießt und umrührt, strudelt die Milch turbulent durch den Kaffee. In Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen mischen sich die Verbrennungsgase effektiver, je turbulenter sie strömen. Und Biologen wollen wissen, wie Tiere Beute oder Partner mit Hilfe von Duftstoffen finden, die von turbulenten Wind- oder Wasserströmungen transportiert werden. Turbulenzen entscheiden auch darüber, wie wahrscheinlich sich chemische Reaktionspartner treffen und miteinander reagieren: So bestimmen sie, wie sich Verschmutzungen oder Gifte in der Atmosphäre oder den Ozeanen ausbreiten und welche Schwankungen sich damit verbinden. Auch bei der Entstehung von Wolken spielen Turbulenzen eine wichtige Rolle, oder in den Modellen zum Ozonabbau in der Atmosphäre.
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