Wirbel vor der Kamera

Wie fliegen kleinste Teilchen in Turbulenzen auseinander? Diese Frage wurde jetzt experimentell beantwortet.

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.

Abb. 1: 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)

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.

Turbulenz entsteht, wenn Flüssigkeiten oder Gase schnell bewegt und über größere Strecken getrieben werden. Man erkennt sie erst richtig, wenn "Teilchen" in einer Strömung verwirbelt werden - zum Beispiel, wenn Blätter im Herbstwind tanzen oder wenn Autos auf der nassen Autobahn Nebelfetzen hinter sich lassen. Was dabei genau passiert, wird seit Jahrzehnten erforscht. Eine der ältesten Fragen ist: Wie schnell werden anfänglich nahe beieinander liegende Teilchen von der Turbulenz auseinander getrieben? Der Brite Lewis Fry Richardson sagte in den 1920er-Jahren voraus, dass der mittlere quadratische Abstand zweier Flüssigkeitsteilchen mit der dritten Potenz der Zeit anwachse. Dieses "Richardson-Obukhov-Gesetz" wird vielfach angewandt, um das Mischen der Turbulenz zu beschreiben. Es setzt allerdings voraus, dass die Ausbreitung der Strömung - aufgrund der hohen Komplexität der Turbulenzen - nicht vom Anfangsabstand der Teilchen abhängt.

In den 1950er-Jahren postulierte der Australier George Batchelor in Cambridge daher eine andere Ausbreitungsformel, die im Gegensatz zum Richardson-Obukhov-Gesetz durchaus vom anfänglichen Abstand der Teilchen abhängt. Batchelor behauptete, die Ausbreitung der Strömung wachse quadratisch mit der Zeit an und das Richardson-Obukhov-Gesetz werde erst nach einer von ihm berechneten Zeit wirksam.

Abb. 2: 25 Mikrometer große Kugeln aus Polystyrol werden von einer Strömung verwirbelt. Die Teilchen wurden mit einem grünem Laser beleuchtet und der Verschluss der Kamera offen gehalten, sodass die Teilchenbahnen als Streifen sichtbar sind. Das beleuchtete Volumen ist etwa fünf Zentimeter breit. (Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation)

Nun ist es einem amerikanisch-deutschen -französischen Forscherteam um Prof. Eberhard Bodenschatz erstmals gelungen, beide Theorien experimentell zu testen. Dazu gaben sie kleinste Teilchen in eine turbulente Wasserströmung (Abb. 1). Dann maßen sie die Bewegungen der Teilchen mit Hilfe eines Teilchenverfolgungssystems, das aus drei Hochgeschwindigkeitskameras und einem sehr hellen Laser besteht (Abb. 2). Die Kameras registrierten 25.000 Mal pro Sekunde den Abstand von Teilchen in Abhängigkeit ihres anfänglichen Abstandes. Die Messung entspricht damit in etwa der millionenfachen Messung der Bewegung zweier Schneeflocken in einem Schneesturm, und zwar bei Millisekunden-Auflösung über Minuten hinweg.

Die Forscher fanden beste Übereinstimmung mit der Vorhersage von Batchelor, jedoch keine Übereinstimmung mit dem Richardson-Obukhov-Gesetz. Entgegen der allgemeinen Erwartung scheint das von Batchelor postulierte Gesetz der Bewegung von Teilchen in fast alle turbulenten Strömungen auf Erden zu bestimmen: Der Anfangsabstand der Teilchen scheint für fast alle turbulenten Strömungen auf Erden wichtig zu sein. Die Messungen zeigten auch, dass sich die Teilchen langsamer auseinander bewegen als ursprünglich angenommen.

Die Ergebnisse könnten nun Auswirkungen auf eine Vielzahl von Forschungs- und Anwendungsfeldern haben, vom effektiven Mischen von Stoffen in der Industrie bis zur Modellierung des Inneren von Sternen.

Das Projekt wurde gefördert durch die National Science Foundation, USA, die Cornell University, USA, sowie die Max-Planck-Gesellschaft.

Quelle: MPG/\[AL\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Mickaël Bourgoin, Nicholas T. Ouellette, Haitao Xu, Jacob Berg, Eberhard Bodenschatz, The Role of Pair Dispersion in Turbulent Flow, Science 311, 835 (2006).
  http://dx.dor.org/10.1126/science.1121726 
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de 
• Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen:
  http://www.ds.mpg.de