In der Meeresbrandung am Strand werden Steine über die Jahre nahezu perfekt elliptisch abgeschliffen, vgl. S. 30. (Bild: Yuriy Kulik/Shutterstock)
Physik Journal 1 / 2019
Meinung
Aktuell
• 1/2019 • Seite 6
Ein Leuchtturm der Astroteilchenphysik
Seit dem 1. Januar 2019 gibt es bei DESY einen eigenen Bereich Astroteilchenphysik.
• 1/2019 • Seite 7
Naturkonstanten als dauerhafte Basis
Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht hat die Revision des Internationalen Einheitensystems verabschiedet.
• 1/2019 • Seite 8
Happy Birthday, ISS
Die Internationale Raumstation feiert ihren zwanzigsten Geburtstag.
• 1/2019 • Seite 10
Eine Koalition für Open Access
Die cOAlition S hat erklärt, wie sie die Forschungsergebnisse aus staatlich geförderten Projekten frei zugänglich machen will.
• 1/2019 • Seite 10
Zwei Jahre ohne Strahl
Um höhere Energien und Intensitäten am Large Hadron Collider zu ermöglichen, kommt es am CERN zu einer zweijährigen Betriebspause.
• 1/2019 • Seite 12
Fortschritte für SESAME
Die Synchrotronquelle SESAME in Jordanien ist seit einem Jahr in Betrieb und soll weiter ausgebaut werden.
• 1/2019 • Seite 14
Künstlich oder intelligent?
Die Bundesregierung hat ihre Strategie für Künstliche Intelligenz vorgestellt.
• 1/2019 • Seite 15
Weichenstellung am Horizont
Die europäischen Forschungsminister haben erste Kompromisse für das nächste Forschungsrahmenprogramm Horizon Europe ausgehandelt.
• 1/2019 • Seite 16
Generationenwechsel in Grenoble
Die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble wurde vor 30 Jahren gegründet.
• 1/2019 • Seite 16
Europäische Planetenunion
Planetenforscherinnen und -forscher gründen die „Europlanet Society“.
• 1/2019 • Seite 17
Einsichten in den Roten Planeten
Die NASA-Sonde InSight ist erfolgreich auf dem Mars gelandet, und die Vorbereitungen für die Messungen haben begonnen.
Leserbriefe
• 1/2019 • Seite 19
Strickland vergessen
Zu: G. Korn, Physik Journal, Dezember 2018, S. 27, mit Erwiderung der Redaktion
High-Tech
Brennpunkt
• 1/2019 • Seite 23Wie Flocken verdampfen
Neue theoretische Betrachtungen erlauben es, die Sublimation von Eiskristallen besser zu verstehen.
Bildung und Beruf
• 1/2019 • Seite 28„Die meiste Arbeit passiert abseits der Bildschirme!“
Angela Halfar übt zwei Berufe aus: Sie arbeitet als Moderatorin und unterrichtet als Lehrerin.
Dr. Angela Halfar (37) hat in Heidelberg Physik und Mathematik studiert, um Lehrerin zu werden. Nach dem ersten Staatsexamen promovierte sie – und sammelte erste Erfahrungen als Moderatorin mit der Wissenschaftsshow Stella Nova. Später trat sie als Wissenschaftsexpertin bei ProSieben und Sat.1 auf.
Hatten Sie schon immer den Wunsch, Moderatorin zu werden?
Ganz und gar nicht – ich wollte immer Lehrerin werden. Das war mein Berufsziel, deswegen musste ich nach dem Abitur nicht lange überlegen, was ich studieren möchte. Aber kurz vor dem ersten Staatsexamen hat mich die Realität eingeholt.
Inwiefern?
Während der Vorbereitung zum Examen habe ich als Aushilfslehrerin gearbeitet. Damals herrschte großer Mangel an Physik- und Mathematik-Lehrern. Ich sollte drei Kurse zum Abitur führen – das hat mich überfordert. So kam mein Kindheitswunsch, Lehrerin zu werden, ins Wanken.
Warum dann eine Promotion?
Weil damit der Weg in Industrie und Wirtschaft offensteht – und man nicht mehr auf eine Laufbahn an der Schule festgelegt ist. Ich wollte die Zeit aber auch als Findungsphase nutzen. Ich hatte vorher nie über eine Alternative zum Lehrerberuf nachgedacht. (...)
Überblick
• 1/2019 • Seite 30Physik am Meer
Steine am Strand werden von den Wellen mitgerissen und bei ihrer Bewegung abgeschliffen, bis eine elliptische Form erreicht ist.
An den Stränden der Meere findet sich neben vielen Steinen mit irregulärer Gestalt eine große Anzahl von Steinen in Form nahezu perfekter Ellipsoide. Ihre Symmetrie und der ästhetische Reiz dieser Steine waren Anlass, über die Entstehung der elliptischen Form sowie die Ursache für die große Zahl dieser Steine nachzudenken. Die klassische Newtonsche Mechanik und elementare Mathematik genügen, um die Prozesse quantitativ zu beschreiben, welche die Steine an den Stränden der Ozeane seit Millionen von Jahren in ewig gleicher Weise formen.
Eine erste Erklärung für die glatten, gerundeten Flächen der Kiesel gab bereits Aristoteles [1]. Im letzten Jahrhundert sind etliche Feld-, Labor- und theoretische Studien zur Form der Steine hinzugekommen [2 – 6]. Allerdings entsprachen die Experimente in den Laboren nicht den Bedingungen, unter denen die Kiesel am Meeresstrand geformt werden: Die Kraft der einlaufenden Brandungswelle ist sehr viel größer als die Gewichtskraft der Steine, die eine Masse von einigen Gramm bis einigen hundert Gramm haben, daher reißt die Welle die Steine mit strandaufwärts. In Ufernähe fallen zunächst die großen Kiesel und weiter strandaufwärts die kleineren aus und bleiben nach kurzer Rotation liegen. Das Wasser der Welle läuft weiter strandaufwärts, kommt kurz zur Ruhe und strömt dann der Neigung des Strandes folgend meerwärts.
Bei schwacher Strömung am Ort des auf seiner flachen Seite liegenden Steins wird dieser ohne Rotation eine gewisse Strecke mit dem ablaufenden Wasser mitgerissen. Hierbei erfolgt ein Abrieb an der Auflagefläche, im Fall eines Ellipsoids senkrecht zur kürzesten Achse (c-Achse, Abb. 1), also parallel zur ab-Ebene. Bei stärkerer Strömung richtet sich der Ellipsoid auf und rotiert stabil um die c-Achse, angetrieben vom ablaufenden Wasser-Sand-Gemisch und der Neigung des Strandes. Die Rotation erfolgt mit nahezu konstanter Drehfrequenz und endet in der nächsten Brandungswelle. Dabei wird ein schmaler Bereich der Oberfläche senkrecht zur ab-Ebene abgetragen.
Um eine ausreichende empirische Basis für die Verteilung der Achsenverhältnisse zu erhalten, habe ich im Laufe der Jahre mehr als 1250 elliptische Steine gesammelt und vermessen. Die meisten Steine stammen von den Kanarischen und den Kapverdischen Inseln sowie von der Südküste der Türkei zwischen Alanya und Side. Die Kanarischen und die Kapverdischen Inseln sind vulkanischen Ursprungs mit teilweise noch aktivem Vulkanismus. Daher bestehen diese Steine aus dunkelgrauem bis schwarzem Basalt und enthalten oft kleine Einschlüsse des Minerals Olivin (Mg,Fe)2 [SiO4]. Die mittlere Dichte der Basaltsteine beträgt ρ = 3,6 g/cm3. Der Abtrag des Materials erfolgt durch Abschleifen der Steine am Strand. Daher bietet es sich an, die Schleifhärte HR (nach Rosiwal) der unterschiedlichen Gesteinsarten miteinander zu vergleichen. Für Basalt beträgt sie HR,Bas =~ 70. Die Steine aus der Türkei bestehen aus hellgrauem bis gelbbraunem Marmor (Kalzit, Ca[CO3]). Durch den schwankenden Anteil anderer Mineralien variiert die Dichte von 2,6 bis 2,9 g/cm3. Die Schleifhärte von reinem Kalzit beträgt HR,Kal =~ 4,5 und ist damit deutlich geringer als die des Basalts. Die Auswahl der Kiesel erfolgte aufgrund einer möglichst perfekten elliptischen Form. (...)
• 1/2019 • Seite 35Die zwei Facetten von Wasser
Existiert flüssiges Wasser in zwei verschiedenen Formen?
Wasser zeichnet sich durch zahlreiche Anomalien aus, von denen das Dichtemaximum bei 4 Grad Celsius wohl die bekannteste ist. Überraschenderweise lässt es sich weit unter den Schmelzpunkt von 0 Grad Celsius abkühlen, ohne zu gefrieren. Dieses so genannte unterkühlte Wasser besitzt spannende Eigenschaften und lässt vermuten, dass es möglicherweise zwei verschiedene flüssige Phasen gibt. Untersuchen lässt sich das unterkühlte Wasser in Form winziger Tropfen in einem Flüssigkeitsstrahl.
Wasser spielt eine übergeordnete Rolle in zahlreichen chemischen und biologischen Prozessen. Dazu tragen besonders seine zahlreichen anomalen Eigenschaften bei, von denen viele immer noch Gegenstand intensiver Forschung sind. Rätselhaft wird das Verhalten von Wasser, wenn es unter den Schmelzpunkt abgekühlt wird, ohne zu kristallisieren. In diesem Fall ist das Wasser „unterkühlt“ und metastabil relativ zur Eisphase. Die Eisbildung bei Temperaturen knapp unter 0 °C, wie sie normalerweise zu beobachten ist, erfolgt nicht von selbst, sondern durch den Kontakt zu Oberflächen, Partikeln oder anderen Störungen im Wasser. Denn die Kristallisation erfordert auf mikroskopischer Ebene die Bildung eines kleinen, lokalisierten Keims der neuen Kristallphase in der metastabilen Flüssigkeit. Da sich dabei die Oberfläche vergrößert, ist allerdings eine hohe lokale Energie pro Volumeneinheit aufzubringen. Die Kristallisation an einer fremden Oberfläche oder Verunreinigung kann aufgrund der schon vorhandenen Grenzfläche ohne zusätzliche Energie erfolgen und ist als heterogene Keimbildung bekannt. In reinem Wasser ist die Wahrscheinlichkeit der Eisbildung durch spontane Ordnungsschwankungen – homogene Keimbildung – bei Temperaturen knapp unter dem Schmelzpunkt nahezu Null. Die erste wissenschaftliche Beschreibung von unterkühltem Wasser geht wahrscheinlich ins Jahr 1724 auf Daniel Fahrenheit zurück, der flüssiges Wasser auf etwa –9 °C abgekühlt hatte. Durch die signifikant reduzierte Konzentration von keimbildenden Verunreinigungen in einer Wasserprobe ist es möglich, Wasser bis auf –25 °C zu unterkühlen. (...)
Streifzug
Physik im Alltag
Menschen
DPG
1/2019 • Seite 55Physik-Preise 2019
Laudationes auf die Preisträgerinnen und Preisträger der Deutschen Physikalischen Gesellschaft
• 1/2019 • Seite 67
Gelungenes Forum für Frauen in der Physik
Die Physikerinnentagung 2018 fand im September in Oldenburg statt.
• 1/2019 • Seite 68
Teilchenphysik in der Schule
Am 9. November fand der International School Day 2018 statt.
1/2019 • Seite 75
