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Three-dimensional structure of stratified turbulence

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Verständnis einer neuen Form von Turbulenzen

Forscher haben Lösungen für wichtige Probleme hinsichtlich turbulenter Ströme in geschichteten Systemen, wie beispielsweise Ozeanen und der Atmosphäre, gefunden.

Klimawandel und Umwelt

Eine neue Klasse der dreidimensionalen (3D) Turbulenz, auch Zig-Zag-Instabilität (ZZI) genannt, wurde kürzlich als Ursache für die Entkopplung horizontaler Schichten bei stabil geschichteten Flüssigkeiten identifiziert, bei denen die Schichten der Dichte in vertikaler Richtung abnehmen. Derartige Systeme sind sowohl in der Atmosphäre als auch in den Ozeanen weit verbreitet. Das von der EU finanzierte Projekt "Three-dimensional structure of stratified turbulence" (3DZZI) sollte die Entwicklung von ZZI in experimentell forcierten geschichteten Turbulenzen untersuchen, da sich die vorhandenen Arbeiten zu diesem Phänomen auf herkömmliche Ströme beschränken. Die Wissenschaftler erzeugten mit 12 Vortexgeneratoren geschichtete Turbulenzen in einem stabil und linear geschichteten Tank. Geschwindigkeitsmessungen bestätigten, dass sich die Strömung selbst über ZZI in horizontale Schichten organisierte. ZZI kann die Bildung sogenannter Pfannkuchenwirbel hervorrufen, die ihrerseits die Bildung sekundärer Instabilitäten einschließlich Scher- und Gravitationsinstabilität verursachen, die bisher noch nicht umfassend erforscht wurden. Die Forscher untersuchten numerisch die Bedingungen für das Einsetzen und die Entwicklung sekundärer Instabilitäten in Abhängigkeit von der vertikalen Dicke des Pfannkuchenwirbels, wodurch die Stabilitätsgrenzen der untersuchten Kenngrößen ermittelt werden können. Um weitere Erkenntnisse über die Gravitationsinstabilität in einem Pfannkuchenwirbel zu gewinnen, analysierten die Wissenschaftler außerdem die Stabilität einer linear und unstabil geschichteten Flüssigkeit in Festkörperrotation. Die Ergebnisse wurden verallgemeinert, um die radiale Verteilung der Geschwindigkeit zu erhalten, mit der sich die dominante Instabilität vorhersagen lässt. Die Ergebnisse von 3DZZI haben weitreichende Auswirkungen auf eine Reihe geophysikalischer Ströme in den Ozeanen und der Atmosphäre, wie beispielsweise den vertikalen Transport von Schadstoffen über städtischen Gebieten.

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