Wellenschlagende Wissenschaft

News: Wellenschlagende Wissenschaft

Wenn sich Wellen brechen, reißen sie Luft in Form von Bläschen mit sich und produzieren jenes charakteristische Rauschen, das uns unwillkürlich an Urlaub am Meer denken lässt. Anhand des Geräusches und einiger Videoaufnahmen der Wogen konnten Forscher erstmals Licht auf den Bläschenbildungsprozess werfen.

Thorsten Krome

Bläschenbildung — © Scripps Institution of Oceanography (Ausschnitt)

Ein Spaziergang am Meer: Das Wasser hebt und senkt sich und schickt in regelmäßigen Abständen seine Wogen aus. Von weit draußen rollen die Wellen in Richtung Strand, türmen sich auf, bis sie sich schließlich überschlagen. Die weiße Gischt spritzt auf und die Brandung bemächtigt sich eines Stückchen Strandes, um es gleich darauf wieder zu verlieren. Dabei wird das wiederkehrende Schauspiel – je nach Witterung – von einem beruhigenden oder aufpeitschenden Rausch-Crescendo begleitet.

Sicherlich kannten Grant Deane und Dale Stokes von der University of California in San Diego diese Meeresimpressionen zur Genüge, haben sie doch die Küste direkt vor der Haustür. Dabei lag es für die Meeresforscher offenbar auch nahe, den Begleiterscheinungen der Wellen – der Bläschen und des Meeresrauschens – näher auf den Grund zu gehen. Und so rückten sie mit einer speziellen Hochgeschwindigkeitskamera, der BubbleCam, und Hydrophonen bewaffnet den Wogen zu Leibe. Neben den Untersuchungen auf dem offenen Meer, die sie von der schwimmenden Forschungsplattform FLIP (Floating Instrument Platform) aus tätigten, ließen sie auch Wellen im Labor entstehen. Dazu bedienten sie sich der Wellentanks des Scripps Hydraulics Laboratory.

Wie sich herausstellte, gibt es zwei grundlegende Mechanismen der Bläschenbildung: Das ist zum einen der Moment, in dem der Luft gefüllte Tunnel, den die überschlagende Krone entstehen ließ, kollabiert. Hierbei bilden sich verhältnismäßig große Blasen, mit Radien zwischen zwei und zehn Millimetern. Kleine Bläschen formen sich hingegen, wenn die Spitze der Krone in die Wellenfront eintaucht und dabei Luft mitreißt. Die Bläschengröße schwankt hierbei zwischen zwei und einem Zehntel Millimeter. Beide Entstehungsprozesse werden von Rauschen begleitet, das typischerweise mit dem Brechen der Welle einsetzt und bis zu eine Sekunde anhält. Dabei lässt sich die Art der entstehenden Bläschen sogar am Geräusch erkennen, wie die Wissenschaftler herausfanden.

Ferner stellten Deane und Stokes fest, dass den großen Blasen offenbar nur eine kurze Lebenszeit beschieden ist und sie bald in den Turbulenzen zerbersten, während die kleinen Exemplare durch die Oberflächenspannung stabilisiert werden und sich lange im Wasser halten. Das drückt sich schließlich auch in ihrer Dichteverteilung aus: Denn größere Blasen sind seltener als kleine. Eine genaue Auswertung ergab sogar, dass die Dichtverteilung der Bläschen einem Potenzgesetz folgt, wobei kleine Bläschen durch einen anderen Exponenten beschrieben werden als die großen, jenseits von zwei Millimetern. Derartige Verteilungen treten bei vielen natürlichen Systemen auf wie beispielsweise auch bei Erdbeben.

Aber wozu das Ganze? Ist es wichtig zu wissen, wie viele und welche Bläschen in der Brandung und auf dem Meer entstehen? Es ist wichtig, denn Luftbläschen spielen eine bedeutende Rolle in einer Vielzahl ozeanischer und atmosphärische Prozesse. So bestimmen große Bläschen beispielsweise die Kohlendioxid-Absorption und kleine Bläschen sind maßgeblich für die Freisetzung von Aerosolen verantwortlich, die letztlich zur Wolkenbildung führt – bedeutende Prozesse für das Klimageschehen also. Deane und Stokes hoffen deshalb auch, dass ihre Ergebnisse dazu beitragen können bestehende Modelle zum Gastransport zwischen Luft und Wasser zu verbessern.