Strömungen auf Planeten wie der Erde sind durch viele Merkmale gekennzeichnet, wie Rotation und Temperaturunterschiede zwischen heißem Kern und kalter Oberfläche. Diese Strömungen haben sehr große Dimensionen und sind sehr schwer zu untersuchen. Um sie zu studieren, Ph.D. Der Student Matteo Madonia baute ein einzigartiges Experiment namens TROCONVEX auf, einen rotierenden Zylinder mit einem Temperaturunterschied zwischen unten und oben und einer maximalen Höhe von 4 Metern. TROCONVEX ermöglicht es Forschern, neue Verhaltensweisen zu erforschen, die uns helfen können, planetare Strömungen zu verstehen. Madonia hat seine Dissertation am 13. April 2022 erfolgreich verteidigt.
Planetare Strömungen wie die Erdatmosphäre oder ihr äußerer Kern sind nicht nur wegen ihres großen Anteils, sondern auch wegen ihrer Komplexität ziemlich schwer zu untersuchen. Tatsächlich werden sie von vielen Faktoren beeinflusst: der Rotation des Planeten, dem Temperaturunterschied zwischen Ober- und Unterseite, der sphärischen Geometrie und oft vielen anderen Faktoren wie den Magnetfeldern oder ihrer „Ebenheit“.
Matteo Madonia, Forscher in der Forschungsgruppe Fluide und Strömungen der Abteilung für Angewandte Physik, entschied sich, ein vereinfachtes Modell der planetaren Strömung zu untersuchen, das nur die hohe Rotation und den Temperaturunterschied berücksichtigt. Aber selbst diese enorme Reduzierung führt zu einem System, das nicht vollständig verstanden werden kann.
Chaos
Strömungen, die durch schnelle Rotation beeinflusst werden, haben die Eigenschaft, sich in gut vertikal ausgerichteten Strukturen zu organisieren, während Flüssigkeiten, die zwischen einem heißen Boden und einem kalten Oberteil eingeschlossen sind, ein sehr chaotisches Verhalten entwickeln. Mischt man diese beiden Effekte, erhält man eine Vielzahl unterschiedlicher Strömungszustände, die sich je nach Gleichgewicht zwischen den beiden Kräften unterschiedlich verhalten.
Außerdem müssen zur Untersuchung von Strömungen in der Größe von Planeten sehr hohe Rotationskräfte erreicht werden, was durch numerische Simulation der Strömung sehr schwierig und nur mit sehr hohen Behältern möglich ist.
Aus diesem Grund hat Madonia TROCONVEX entwickelt, einen sehr hohen rotierenden Zylinder, der Wasser enthält, das von unten erhitzt und von oben gekühlt wird. Mit diesem bis zu 4 Meter hohen Aufbau konnte er Strömungskonfigurationen analysieren, die vorher nicht zugänglich waren.
Zwei Ansätze
Durch die Mischung von Rotationseffekten und Temperaturunterschieden entstehen nämlich eine Vielzahl unterschiedlicher Strömungszustände, die es zu differenzieren und zu beschreiben gilt. Dabei nutzte der Forscher zwei unterschiedliche Ansätze: Der erste beinhaltete die Verwendung von Temperatursonden und der zweite beinhaltete Geschwindigkeitsmessungen.
Mit Temperatursonden konnte er für jeden Zustand den Unterschied in der Wärmeübertragung zwischen oben und unten analysieren und wie sich die Temperatur in verschiedenen Höhen des Zylinders verändert.
Dazu verwendete er eine spezielle Konfiguration, die es ihm ermöglichte, den Zylinder thermisch zu isolieren, um Wärmelecks von den Seiten zu vermeiden. Mit diesen Messungen konnte er einen neuartigen, noch nie zuvor beobachteten Zustand identifizieren: eine sogenannte rotationsbeeinflusste Turbulenz (RIT).
Kameras
Die Geschwindigkeitsmessungen wurden in einer transparenten Konfiguration durchgeführt, die speziell entwickelt wurde, damit zwei Kameras in den Zylinder blicken und die Bewegung einiger Partikel verfolgen können, die wir in die Flüssigkeit injiziert haben. Die beiden Kameras konnten die Bewegung der Strömung verfolgen und Geschwindigkeitsinformationen in den drei speziellen Richtungen liefern.
Mit diesen Messungen war Madonia in der Lage, die verschiedenen Strömungszustände besser zu charakterisieren, einschließlich des neuartigen RIT, das ein interessantes Merkmal aufweist: eine Struktur, die aus vier Wirbeln besteht, die den Abschnitt des Zylinders füllen.
Weitere Analysen zu Geschwindigkeitsmessungen konnten nicht mit Sicherheit feststellen, ob diese Struktur durch das Vorhandensein der Seitenwände oder durch eine für rotierende Strömungen typische Selbstorganisation der Strömung erzeugt wird.