Gravitätsgetriebene „Anweisungen“ in Schichtenflüssigkeiten
Die Bewegungen astrophysikalischer oder geophysikalischer Flüssigkeiten können durch die Präsenz signifikanter Dichtevariationen in der Flüssigkeit beeinflusst werden. Zwischen Schichten mit einer unterschiedlichen Dichte gibt es eine Schnittstelle, entlang derer sich die Wellen – ähnlich den Wellen an der Meeresoberfläche – ausbreiten. Solche Gravitationswellen können sich ebenfalls in einer Ansammlung von Schichtenflüssigkeiten, d. h. Flüssigkeiten, deren Dichte sich mit der Tiefe kontinuierlich verändert, ausbreiten. Die Dichteunterschiede bestimmen, wie stark die Rückstellkraft ist und folglich wie hoch die Wellenamplituden ausschlagen können. Die Stratifizierung bestimmt ebenfalls in erheblichem Maß die Frequenz und Wellenlänge angeregter Wellen. Im Rahmen des COWAVE-Projekts wurde eine der einfachsten Einrichtungen entwickelt, über die besagte Dichteeffekte analysiert werden können. Die COWAVE-Wissenschaftler wandten für ihre Experimente in einem Tank gefasstes Wasser an, welches in der Nähe der Grenzschicht eine turbulente Schicht aufwies. Durch das Hinzufügen von Salz oder eine Veränderung der Wassertemperatur konnte der Auftrieb kontrolliert werden. Auftriebsunterschiede in dem Tank führten zu der gewünschten Stratifikation, wobei bei einer Wasseransammlung am Boden eine höhere Dichtigkeit und bei einer Wasseransammlung an der Oberfläche eine geringere Dichte erreicht wurde. Die COWAVE-Wissenschaftler kombinierten lokale Temperatur- oder Dichtemessungen mit globalen Geschwindigkeitsmessungen, um die Zeit- und Frequenzspektren angeregter Wellen zu untersuchen. Es wurde zudem ein nummerisch gestütztes mathematisches Modell dieses Systems entwickelt. Die Analyse theoretisch prognostizierter turbulenter und oszillatorischer Bewegungen – die vor allem im Rahmen der Experimente untersucht worden waren – bestätigte die Prognosefähigkeit nummerischer Modelle. Jedoch entstanden selbst bei einem solch einfachen System verschiedene neue und nicht intuitive physikalische Phänomene. Das COWAVE-Projekt zeigte, dass turbulente Bewegungen meistens Niederfrequenzwellen anregen, die sich in der Nähe des Schnittstellenbereichs ausdehnen. Hochfrequenzwellen breiten sich aufgrund einer selektiven Dämpfung, die von dem Auftrieb durch die umgebende Flüssigkeit abhängt, tiefer in dem stratifizierten Tank aus. Die Ergebnisse des COWAVE-Projekts werden zu einem besseren Verständnis der Wirkung von Gravitätswellen in allgemeinen atmosphärischen Zirkulationsmodellen sowie zu besseren Vorhersagen von Wettermustern führen. Ferner wird ein Beitrag für ein besseres Verständnis der Entwicklung von Sternen und Planetenkernen geleistet, da die Dynamiken von Stratifikationen in diesem Zusammenhang bislang größtenteils vernachlässigt worden sind.
Schlüsselbegriffe
Schichtenflüssigkeiten, Gravitationswellen, astrophysikalisch, geophysikalisch, Dichteeffekte
