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THEORIE
Von Meereswirbeln und Schwarzen Löchern
Redaktion / idw / Pressemitteilung der ETH Zürich
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30. September 2013

Wissenschaftler haben festgestellt, dass bestimmte Meereswirbel auf der Erde mathematisch ganz ähnlich beschrieben werden können wie Schwarze Löcher. Diese Erkenntnis könnte helfen, den Transport von Wassermassen in den Ozeanen besser zu verstehen. Eventuell lassen sich auch gewaltige Wirbel wie der Große Rote Fleck auf Jupiter auf diese Weise erklären.

Malstrom

Schon Edgar A. Poe beschrieb in einer seiner Geschichten einen Schaumgürtel um einen Meereswirbel. Diese Illustration dazu stammt aus dem Jahr 1919. Bild: idw / ETH Zürich / Harry Clarke

Laut Forschern der ETH Zürich und der Universität von Miami ähneln einige der größten Meereswirbel der Erde mathematisch den faszinierenden Schwarzen Löchern im Weltall. Diese Wirbel sind nämlich durch Ringe aus sich im Kreis bewegendem Wasser so scharf von ihrer Umgebung abgegrenzt, dass nichts in ihrem Inneren entkommt.

Die milden Winter Nordeuropas verdanken wir dem Golfstrom, der Teil der weltumspannenden Meeresströmungen ist, die unser Klima prägen. Zusätzlich wird unser Klima aber auch durch riesige Meereswirbel mit mehr als 150 Kilometern Durchmesser beeinflusst. Die Zahl solcher Wirbel in südlichen Ozeanen nimmt laut Forschungsberichten zu, was den Transport von warmem und salzigem Wasser nach Norden erhöht. Dies könnte den negativen Einfluss schmelzenden Polareises ausgleichen.

Bisher konnten Wissenschaftler diese Wirkung der Wirbel jedoch nicht genau messen, da sie die Grenzen der rotierenden Wassermassen nicht bestimmen konnten. George Haller, Professor für Nichtlineare Dynamiken an der ETH Zürich, und Francisco Beron-Vera, Forschungsprofessor für Ozeanographie an der Universität von Miami, haben nun eine Lösung für dieses Problem gefunden. In einer Publikation im Fachmagazin Journal of Fluid Mechanics stellen sie eine neue mathematische Methode vor, wassertransportierende Meereswirbel mit klarer Umgrenzung zu erkennen.

Die Schwierigkeit, solche Wirbel zu finden, liegt darin, zusammenhängende Wasserinseln in einem turbulenten Ozean ausfindig zu machen. Die gleichzeitig rotierende und gesamthaft driftende Bewegung erscheint für einen Beobachter außerhalb und innerhalb eines Wirbels als chaotisch. Haller und Beron-Vera konnten Ordnung in dieses Chaos bringen, indem sie zusammenhängende Wasserinseln in einer Sequenz von Satellitendaten identifizierten. Zu ihrem Erstaunen erkannten sie dabei, dass solche fest zusammenhängenden Wirbel mathematisch Schwarzen Löchern ähneln.

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Schwarze Löcher sind Objekte im Weltall mit einer so großen Masse, dass sie alles, was sich ihnen auf eine bestimmte Distanz nähert, anziehen. Nichts, was in ihren Wirkungsbereich gerät, kann ihnen entkommen, nicht einmal Licht. Aber wenn ein Lichtstrahl ein Schwarzes Loch in einem bestimmten Abstand streift, wird er durch dessen Schwerkraft so stark gebogen, dass er sich zu einem kreisförmigen Orbit schließt. Eine Barriereoberfläche, zusammengesetzt aus solch geschlossenen Lichtringen, wird in Einsteins Relativitätstheorie als Photonsphäre bezeichnet.

Haller und Beron-Vera entdeckten nun ähnliche geschlossene Barrierelinien um bestimmte Meereswirbel. Auf diesen Linien bewegen sich Flüssigkeitspartikel wie auf einem geschlossenen Orbit - ähnlich der Bewegung von Licht in einer Photonsphäre. Und wie bei Schwarzen Löchern kann nichts aus dem Inneren dieser geschlossenen Barrierelinien entkommen, nicht einmal Wasser.

Genau diese Barrieren sind es, die dabei helfen, fest zusammenhängende Meereswirbel in der großen Menge vorhandener Satellitendaten zu erkennen. Laut Haller ist es sehr erstaunlich, dass es solche kohärenten "Wassersphären" tatsächlich gibt. Weil die Wirbel so stabil zusammenhalten, funktionieren sie wie ein Transportvehikel - nicht nur für Kleinstlebewesen wie Plankton oder Fremdkörper wie Plastikmüll oder Öl, sondern auch für Wasser mit einer Temperatur und einem Salzgehalt, die vom umliegenden Wasser abweichen können.

Haller und Beron-Vera haben diese Beobachtung bei den so genannten Agulhas-Ringen überprüft, eine Gruppe von Meereswirbeln, die regelmäßig im südlichen Ozean an der Südspitze Afrikas entstehen und warmes, salziges Wasser nordwärts transportieren. Die Forscher verfolgten sieben Agulhas-Ringe des Schwarzen-Loch-Typs, die das Wasser, das sie umfassten, fast ein Jahr ohne Durchmischung mit dem umliegenden Wasser beförderten.

Solch kohärente Wirbel kommen laut Haller noch in anderen komplexen Strömungen außerhalb des Meeres vor. In diesem Sinne sind viele Wirbelstürme wahrscheinlich auch Schwarzen Löchern ähnlich. Das wohl spektakulärste Beispiel für einen Wirbel des Schwarzen-Loch-Typs könnte der große rote Fleck - ein stationärer Megasturm - des Planeten Jupiter sein. "Mathematiker versuchen schon lange, solche kohärenten Wirbel in komplexen Strömungen zu verstehen", erklärt Haller.

Erstaunlicherweise war vermutlich der erste, der Meereswirbel als solche scharf abgegrenzten Wirbelströme erkannt hat, der amerikanische Autor Edgar Allan Poe. In seiner Geschichte "Im Strudel des Malstroms" beschreibt er einen stabilen Gürtel aus Schaum um einen Meeresstrudel. Dies diente Haller und Beron-Vera als Inspiration, um nach diesen stabilen Gürteln - dem Meeres-Äquivalent von Photonsphären - mit ausgeklügelten mathematischen Formeln zu suchen.

Ihre Resultate könnten dabei helfen, einige der Großen Fragestellungen der Ozeanforschung zu beantworten, von Klima-bezogenen Fragen bis zu Ausbreitungsmustern von Müll und Öl.

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siehe auch
Simulation: Einstein und die Turbulenzen - 27. März 2013
Links im WWW
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ETH Zürich
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