05.07.2013

Konvektion von Flüssigkeiten: Im Gänsemarsch gegen den Strom

Flüssigkeiten zirkulieren im Kleinen genauso wie in Ozeanen dank thermischer Energie. Dabei organisieren sie sich unter gewissen Bedingungen in gegenläufigen Kolonnen, die sich wie auf einer Perlenschnur aufreihen. Diese Entdeckung gelang in einer Studie, die von Physikern der Universität Freiburg geleitet wurde.

Grafische Darstellung der Konvektionskolonnen.

Seit jeher folgt der Strassenverkehr einer simplen Regel, um Kollisionen zu vermeiden: Fahrzeuge in Richtung A fahren auf einer Spur parallel neben den Fahrzeugen, die in die entgegengesetzte Richtung B verkehren. Auch Fussgänger gehen beim Kreuzen in einer Art Selbstorganisation in parallelen Bahnen aneinander vorbei. Genauso verhält es sich auch bei mischbaren Flüssigkeiten die von einer Seite geheizt werden. Dabei bilden sich Konvektionskolonnen, welche sich beim leichten Kippen der Messzelle in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Dies zeigen die Resultate einer Studie, die von Dr. Fabrizio Croccolo und Prof. Frank Scheffold vom Departement für Physik der Universität Freiburg gemeinsam mit Prof. Alberto Vailati von der Universität Mailand durchgeführt wurde.

Vom Labormassstab bis zum Ozean

"In unserer Studie zur Wirkung von Temperaturunterschieden auf Flüssigkeitsgemische konnten wir Kolonnen von aufsteigenden und absteigenden Flüssigkeiten beobachten, die sich wie Fahrzeuge oder Fussgänger im Verkehr bewegen", erklärt Fabrizio Croccolo. Eine leichte Neigung der untersuchten Zelle von 1 Grad reichte bereits aus, um diesen Vorgang hervorzurufen. "So konnten wir feststellen, dass sich die Kolonnen selbst organisieren und sich einem erstaunlich regelmässigen, parallel verlaufenden Verkehrsfluss anpassen, obwohl hier kein intelligentes Verhalten vorhanden ist." Beim untersuchten System werden die Bewegungen von den unterschiedlichen Temperaturen und Zusammensetzungen der Flüssigkeiten bestimmt. Es wirken dabei ähnliche Faktoren wie bei den Strömungen in den Ozeanen, die von Unterschieden in der Temperatur und im Salzgehalt bedingt werden. Somit könnten die Ergebnisse der Studie dazu beitragen, dass künftig auf einer grösseren Skala gewisse Bewegungen in den Ozeanen modellhaft dargestellt werden können.

Filmsequenz zur Studie:


Schattenbilder der Konvektionskolonnen: Die dunklen Bereiche stellen wärmere Flüssigkeit dar.


Die Forschungsresultate wurden in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht:
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i1/e014502

Kontakt: Prof. Frank Scheffold, Departement für Physik, 026 300 91 17, frank.scheffold@unifr.ch