Im Labor entdeckte Wirbelstruktur könnte Hurrikanforschern helfen

Physiker haben bei einer Laborsimulation eine Wirbelstruktur entdeckt, die so in der Natur bisher nicht beobachtet wurde. Zwei ineinander verschachtelte Wirbel können einen dritten Wirbel erzeugen, der sich in entgegengesetzter Richtung dreht. Das widerspricht der allgemeinen Auffassung, dass die Anzahl der Wirbel in einem turbulenten System mit der Zeit abnimmt.

Dan Durkin und Joel Fajans von der Universität von Kalifornien in Berkeley simulierten das Wirbelverhalten einer perfekten Flüssigkeit mittels einer Apparatur, die Elektronen in einem Magnetfeld gefangen hält. Die mathematischen Gleichungen, die das Verhalten von Elektronen in einem starken Magnetfeld beschreiben, sind mit denen von Wirbeln in einer perfekten Flüssigkeit identisch. Dabei entspricht die Elektronendichte der Stärke der Wirbel. Die Physiker griffen auf diese Simulation zurück, weil es in der Natur keine perfekten Flüssigkeiten gibt. In wirklichen Flüssigkeiten wird das Verhalten der Wirbel durch Reibungseffekte gestört.

Durkin und Fajans erzeugten einen kleinen starken Wirbel innerhalb eines größeren schwächeren Wirbels, die sich beide in die gleiche Richtung drehten. Sie beobachteten, dass der kleine Wirbel ein wellenartiges Kräuseln auf dem Rand des äußeren Wirbels erzeugte. Dieses Kräuseln pflanzte sich auf dem Rand fort, wobei es sich vergrößerte und sich schließlich selbst einholte. Dabei entstand ein „Wirbelloch“, das sich wie ein umgekehrt drehender Wirbel verhielt. Dieses Wirbelloch ermöglichte es dem kleinen Wirbel, Energie mit dem großen Wirbel auszutauschen. Im weiteren Verlauf zog der kleine Wirbel dieses Wirbelloch weiter in das Innere des großen Wirbels. Dabei ging das gesamte System in ein chaotisches Verhalten über.

Die Forscher vermuten, dass dieses Phänomen bei der Entstehung von Tornados innerhalb von Hurrikans eine Rolle spielt. Auch das Rätsel um Jupiters großen Roten Fleck kann vielleicht mit Hilfe dieser Entdeckung gelöst werden. Doch Durkin hat noch größere Pläne: „Unser Endziel ist die Simulation einer Planetenatmosphäre.“ American Institute of Physics