Turbulenz zu Hause und im Weltraum

Manche der Instabilitäten, die in astrophysikalischen Phänomenen auftreten, können wir in

alltäglichen Situationen wiederfinden, wie z.B. beim Vermischen von Kaffee und Milch oder

dem Erhitzen von Öl in der Bratpfanne. Gemeinsamkeiten der Physik im ganz Kleinen und ganz Großen findet man u.a. in diesen Beispielen für astrophysikalische und alltägliche Strömungsinstabilitäten:

Rayleigh-Taylor-Instabilität

Diese instabile Situation entsteht, wenn zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte relativ

zueinander (z.B. durch die Schwerkraft) beschleunigt werden und dabei die dichtere

Flüssigkeit auf der weniger dichten liegt. Aus den anfänglich kleinen Störungen entstehen

pilzförmige Blasen beider Flüssigkeiten, die in der jeweils anderen Flüssigkeit auf- oder

absteigen und sie dadurch vermischen.

Rayleigh-Taylor-Instabilität im Wasserglas (J . Niemeyer, IAG)

Liegt eine "schwerere" Flüssigkeit (Wasser mit Farbstoff) auf einer "leichteren" (Wasser), sinkt die "schwerere" nach unten. Dabei bildet sie pilzartige Schlieren.

Im Weltraum ist dieses Phänomen ebenfalls zu beobachten. Nur sind dort "oben" und "unten" ein wenig anders.

Ausschnitt eines Sternentstehungsgebiets im Adlernebel M 16 (NASA, ESA/ Hubble and the Hubble Heritage Team)

Kelvin-Helmholtz-Instabilität

Strömen Luftschichten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aneinander vorbei, bilden sich an der Grenzschicht Instabilitäten.

Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wavecloudsduval.jpg#mediaviewer/File:Wavecloudsduval.jpg — Kelvin-Helmholtz-Wirbel in der Atmosphäre hinter dem Monte Duval, Australien. („Wavecloudsduval“ von GRAHAMUK aus der englischsprachigen Wikipedia)

Bei entsprechender Wolkenbildung ist dieses Phänomen schön zu beobachten.

Jupiter mit Bänderstruktur und Großem Roten Fleck (NASA/NSSDC/Voyager1)

Die verschieden gefärbten Bänder des Jupiter strömen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aneinander vorbei. Die Grenzschicht weist Instabilitäten auf.

Rayleigh-Benard-Konvektionsinstabilität

Wird eine Flüssigkeit von unten erhitzt, nimmt dort die Dichte ein wenig ab und bewirkt

eine Strömung der heißeren Flüssigkeit in kältere Regionen weiter oben, die durch kalte,

herabfallende Flüssigkeit ersetzt wird. Diese erhitzt sich wiederum und treibt die Strömung

weiter an. Unter gewissen Umständen können sich relativ stabile Strömungsfelder,

sogenannte Konvektionsrollen, bilden.

Konvektion in erhitztem Öl mit Glimmerpulver (J. Mutschall, MPIDS)

Versetzt man Öl mit Glimmer um Strömungen besser sichtbar zu machen und bringt es zum Kochen, bilden sich Benard-Konvektionszellen.

Solare Granulation in der Sonnenatmosphäre (BBSO/NJIT)

Betrachtet man die Konvektionszone der Sonne mit speziellen Filtern, zeigt sich ebenfalls diese Art der "Zellenbildung", die Sonnengranulation.

In der Astrophysik spielen in den meisten Fällen noch weitere Prozesse eine wichtige Rolle,

z.B. Strahlung, Rotation oder Magnetfelder. Welchen Einfluss sie auf die Eigenschaften der

Strömungen haben, kann mit Experimenten, astronomischen Beobachtungen oder

numerischen Simulationen untersucht werden.