Absinkende Teilchen

Zu den von vielen Kindern geschätzten Spielzeugen gehören Schneekugeln. Die mit Wasser gefüllten durchsichtigen Gefäße enthalten kleine Teilchen, die umherwirbeln, wenn die Gefäße geschüttelt werden.
23.05.2017, 00:00
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Absinkende Teilchen
Von Jürgen Wendler
Absinkende Teilchen

Während manche Menschen nur gern zuschauen, wie die Teilchen in einer Schneekugel zu Boden sinken, sehen andere darin eine mathematische Herausforderung.

A9999 Christian Fürst

Zu den von vielen Kindern geschätzten Spielzeugen gehören Schneekugeln. Die mit Wasser gefüllten durchsichtigen Gefäße enthalten kleine Teilchen, die umherwirbeln, wenn die Gefäße geschüttelt werden. Sich anzusehen, wie die Teilchen nach und nach ähnlich wie Schnee zu Boden rieseln, besitzt einen besonderen Reiz. Auch Wissenschaftler interessieren sich dafür, wie sich Teilchen in Flüssigkeiten oder auch Gasen bewegen. Von großer Bedeutung ist diese Frage zum Beispiel für die Klimaforschung. Zu berechnen, was genau geschieht, wenn ein kugelförmiges Gebilde von einem Fluid, das heißt von einer Flüssigkeit oder einem Gas, umströmt wird, gelang bereits im 19. Jahrhundert dem irischen Mathematiker und Physiker George Gabriel Stokes. Er scheiterte jedoch an der Aufgabe, auch für Körper mit der Form eines Zylinders eine Lösung zu finden. Gelungen ist dies nun zwei Forschern des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie in Bremen. Arzhang Khalili, der auch als Professor an der Jacobs University tätig ist, und sein Mitarbeiter Bo Liu haben ihre Erkenntnisse im „Journal of Fluid Mechanics“ veröffentlicht.

Das Problem der umströmten zylindrischen Körper ist unter der Bezeichnung Stokes' Paradox bekannt geworden. Bei der Lösung halfen den Bremer Forschern aufwendige numerische Computersimulationen, das heißt Berechnungen, bei denen unterschiedliche Ausgangsdaten zugrunde gelegt wurden. „Wenn ein Gegenstand von einem Fluid umströmt wird, gibt es einen Widerstand“, erläutert Khalili. Ein Maß für diesen Widerstand liefere der sogenannte Widerstandsbeiwert. Um ihn zu ermitteln, bedarf es einiger Kenntnisse über Faktoren, die dabei eine Rolle spielen, etwa die Geschwindigkeit und Dichte des Fluids. Khalili und sein Mitarbeiter fanden einen Weg, sich dem Widerstandsbeiwert zylindrischer Körper immer besser anzunähern.

Ausgangspunkt der Arbeiten war die Frage, wie schnell welche Mengen an Überresten von Lebewesen auf den Meeresgrund sinken. Für alle Lebewesen ist Kohlenstoff ein zentraler Baustein; sie enthalten große Mengen davon. Wenn Überreste dauerhaft am Meeresgrund bleiben, das heißt zur Bildung von Sedimenten beitragen, kann der in ihnen enthaltene Kohlenstoff nicht wieder in höhere Bereiche des Meeres oder sogar in die Atmosphäre gelangen. Mit anderen Worten: Er kann nicht zur Verstärkung des Treibhauseffekts und damit zur globalen Erwärmung beitragen.

Treibhauseffekt bedeutet, dass verschiedene Gase die von der Erde abgegebene Wärme bildlich gesprochen in der Atmosphäre zurückhalten. Den größten Beitrag leistet der Wasserdampf. Daneben gibt es noch weitere Treibhausgase, darunter Kohlendioxid und Methan, deren Moleküle Kohlenstoffatome enthalten. Der Anteil des Kohlendioxids an der Atmosphäre ist in den vergangenen gut zwei Jahrhunderten – seit Beginn der Industriellen Revolution – stark gestiegen, und zwar von etwa 0,028 auf rund 0,04 Prozent. Dies ist der Grund dafür, dass Klimaforscher dem Kohlendioxid, das unter anderem bei Verbrennungsvorgängen gebildet wird, eine zentrale Rolle bei der beobachteten globalen Erwärmung beimessen. Weil Meere und Wälder die Eigenschaft haben, große Mengen an atmosphärischem Kohlendioxid aufzunehmen, werden sie als Kohlenstoffsenken bezeichnet. Bäume nutzen das Kohlendioxid bei der Photosynthese, mit der neues pflanzliches Material hergestellt wird. Lebewesen, die Photosynthese betreiben, gibt es aber auch im Meer. Ein Beispiel sind einzellige Grünalgen.

Während Überreste von Algen oder anderen Lebewesen in tiefere Bereiche des Meeres sinken, beginnen Bakterien mit ihrer Zersetzung. Zylindrische Formen sind zum Beispiel bei Grünalgen anzutreffen. Indem die Forscher des Bremer Max-Planck-Instituts herausgefunden haben, wie schnell Teilchen mit solchen Formen absinken, haben sie zugleich eine Möglichkeit eröffnet, wesentlich genauer als bislang abzuschätzen, wie viel Kohlenstoff den Meeresboden erreicht. Dieses Wissen – das Wissen über die genaue Rolle des Meeres als Kohlenstoffsenke – ist von großem Wert für Klimaprognosen. Solche Prognosen beruhen auf Berechnungen am Computer, auf sogenannten Klimamodellen.

Um Aussagen darüber treffen zu können, wie sich das Klima der nächsten Jahrzehnte oder auch nur das Wetter der nächsten Stunden entwickeln könnten, benötigen Wissenschaftler zunächst Daten zur Ausgangslage an verschiedenen Orten. Sie müssen wissen, wie warm oder kalt es ist, wie viel Wasserdampf sich in der Luft befindet und welche Wind- und Luftdruckverhältnisse herrschen. Die Werte fließen in mathematische Gleichungen ein, mit denen sich berechnen lässt, wie sich die Größen im Laufe der Zeit gegenseitig beeinflussen und verändern. Für Klimamodelle werden im Wesentlichen dieselben Gleichungssysteme wie bei der Wettervorhersage verwendet. Allerdings kommen noch andere Bestandteile hinzu. So sind für Klimamodelle zum Beispiel auch Daten zum Ozean und Meereis wichtig. Die Modelle sind im Laufe der Jahre immer weiter verfeinert worden.

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