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News: Sandkastenspiele mit Berg und Tal

Wenn sich das Meer zurückzieht, hinterlässt es am Strand die Miniaturausgabe einer Berg-und-Tal-Landschaft: Lange erhabene Sandstreifen überziehen den Boden, in den Mulden dazwischen steht noch das Wasser. Nur wenige Meter weiter wechselt das Bild, feinere Gitterstrukturen füllen die Zwischenräume. Dänische Wissenschaftler haben nun einige Prozesse nachgebildet, die womöglich dafür verantwortlich sind.
Der Spaziergang am Strand läuft nicht immer glatt: Manchmal überziehen Sandrippeln den Boden. Sie zeugen von flachem, bewegtem Wasser, das die Sandkörnchen in Bewegung versetzte, bis sie sich zu kleinen Bergketten und Tälern anhäuften. Stellenweise sind die Strukturen noch komplexer, da zeigen sich zwischen großen Rippeln noch kleinere Linien oder sogar Gittermuster.

Wie diese Rippeln entstehen, ist schon lange bekannt. Und doch ist die Zeit der Sandkastenspiele für Physiker noch nicht vorbei, zuviele ungeklärte Fragen stehen noch im Raum. So wollten beispielsweise Jonas Lundbek vom Niels Bohr Institute in Kopenhagen und seine Kollegen verfolgen, wie sich denn Änderungen der Anregungsamplitude oder der Frequenz der Wasserwellen auf die Sandrippeln auswirken. Sie füllten eine 0,6 mal einen Meter große Schale mit Glaskügelchen von 250 bis 350 Mikrometern Durchmesser und pressten mit einer Form ein regelmäßiges Muster hinein. Dann setzten sie den Behälter in einen Wassertank und schwenkten ihn rhythmisch hin und her, wobei sie zunächst die Wellenamplitude verwendeten, welche zu dem entsprechenden Muster passte.

Dann jedoch veränderten sie plötzlich die Anregungsamplitude oder die Frequenz der Oszillationen, um das Muster zu zerstören. Solange der Wechsel nicht zu gravierend war, blieben die Rippeln unbeeindruckt. Überschritt er jedoch einen bestimmten Grenzwert, zeigten sich drei verschiedene instabile Übergangszustände.

Zunächst steigerten die Forscher die Amplitude der Wasserwellen. Überschritt sie den kritischen Wert, verzerrten sich die Kämme der Rippeln entlang und senkrecht zu den ursprünglichen Strukturen. Letztendlich entstand ein um 45 Grad geneigtes Schachbrett-artiges Muster aus aufgewölbten und vertieften Regionen. Als sich die Ausgangsstrukturen zunehmend weiter auflösten, verlagerten sich immer mehr Kugeln, bis sich schließlich ein neues regelmäßiges Rippelmuster herausbildete, dessen Wellenlänge jedoch größer war als das seines Vorgängers.

Verringerten die Wissenschaftler hingegen die Anregungsamplitude, um den umgekehrten Übergangszustand zu erhalten, "verdoppelte" sich das Muster: Zwischen den Ausgangsrippeln bildeten sich niedrigere und schmalere Kämme. Die Räume zwischen den neuen Kämmen blieben dabei so klein, dass sie die tiefsten Punkte zwischen den Ausgangsrippeln nicht erreichten. Nach dieser Verdopplung ist die Wellenlänge des Systems zu gering und der Endzustand wird schließlich über sich ausbuchtende instabile Strukturen erreicht.

Als letzten Parameter veränderten die Wissenschaftler die Frequenz der Wasserwellen. Stieg diese über einen bestimmten Grenzwert, verloren die Rippeln wiederum ihre Stabilität und bildeten nun stationäre "Perlen" in den Tiefenlinien zwischen den Kämmen. Verband man diese Haufen miteinander, zeigte sich erneut ein schräg zu den ursprünglichen Strukturen verlaufendes Gittermuster. Und anders als in den vorangegangenen Versuchen waren diese Veränderungen reversibel.

Die Forscher vermuten, dass die Mulden im Schatten zwischen den Kämmen die entscheidende Rolle spielen, welcher Übergangszustand eintritt. Denn die hier entlang der Tiefenlinie verlaufenden Wirbelstrukturen sind womöglich besonders anfällig für instabile Verhältnisse. Aber um den zugrunde liegenden Prozessen auf die Spur zu kommen, werden Wissenschaftler wohl noch weiter mit Sand spielen müssen.

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  • Quellen
Nature 410: 324 (2001)

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