Wind und Ladung

Bei der Entstehung von Sanddünen spielen zusätzlich zum Wind auch elektrostatische Ladungen eine wesentliche Rolle.

Ann Arbor (USA) – Winde formen Sandkörner zu sichelförmigen Dünen und bilden den Motor der Erosion. In die Atmosphäre gelangt wirken die mineralischen Partikel als Kondensationskeime für Wolken. Zusätzlich zum Wind spielen elektrostatische Ladungen bei diesem Materialtransport eine wesentliche Rolle. Auf der Grundlage dieser Hypothese veröffentlichen amerikanische Forscher in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erstmals ein schlüssiges Modell für dieses Saltation genanntes Phänomen.

„Frühere Messungen haben gezeigt, dass bei moderaten Winden bei der Saltation elektrische Felder von bis zu 160 Kilovolt pro Meter aufgebaut werden können“, schreiben Jasper F. Kok und Nilton O. Remo von der University of Michigan in Ann Arbor. Trotz dieser Kenntnisse sind die elektrostatischen Aufladungen zwischen den Sandkörnern bisher nicht in die Transportmodelle eingeflossen. Messungen von vom Wind getragenen Sandpartikeln lassen sich daher nicht immer schlüssig mit diesen Theorien nachvollziehen.

Die wichtigste Annahme von Kok und Remo ist dabei, dass elektrische Felder das Anheben der Sandkörner durch Winde unterstützen. Experimente in Windtunneln legten bereits nahe, dass durch die Reibung der Körner gegeneinander diese Partikel negativ aufgeladen werden können. Dagegen treten am Boden positive Ladungen auf.

In numerischen Saltationsmodellen beachteten die Forscher nun beide Effekte: den Vortrieb durch den Wind und die elektrischen Kräfte zwischen Sandkorn und Erdboden. Ihre Ergebnisse zeigen, dass ohne den Einfluss elektrostatischer Abstoßungskräfte bei Scherwinden mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde etwa 70 Gramm pro Quadratmeter von einer Oberfläche transportiert werden können. Werden dagegen die elektrischen Kräfte mit berücksichtigt, kann dieser Wert bei gleicher Windstärke auf bis zu 200 Gramm pro Quadratmeter ansteigen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die elektrische Aufladung von Sand eine wichtige Rolle bei der Saltation spielen“, so die beiden Wissenschaftler. Damit können sie nun nicht nur die vorhandenen Messungen beispielsweise bei der Bildung von Sanddünen mit Sandkorndurchmessern zwischen 60 und 1000 Mikrometern besser erklären. Das neue Modell hat auch Auswirkungen auf Klimasimulationen. Denn bei den Stößen der Partikel entstehen auch feinere Sandkörner, die kleiner sind als 60 Mikrometer und in höhere Atmosphärenschichten gelangen können. Diese Aerosole wirken dort dann als Streuzentren für Sonnenstrahlen und als Kondensationskeime für Wassertröpfchen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Jasper F. Kok, Nilton O. Remo, Electrostatics in Wind-Blown Sand, Physical Review Letters 100, 014501 (2008).
  http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e014501
• University of Michigan, Ann Arbor:
  http://www.umich.edu
• Atmospheric, Oceanic, and Space Sciences:
  http://aoss.engin.umich.edu