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Wie beeinflusst die Rotation von Sternen ihre inneren Flüssigkeiten?
Im Inneren schnell rotierender Planeten und Sterne sollen turbulente Strömungen in einen Grenzbereich gelangen, in dem Viskosität und thermische Diffusion kaum noch bestimmen, wie Wärme und Materie transportiert werden. Ein Experiment mit flüssigem Gallium hat diesen diffusivitätsfreien Zustand nun erstmals in einem geschlossenen Laborgefäß nachgewiesen und zentrale Modellvorhersagen quantitativ bestätigt.
Dresden (Deutschland). Konvektion transportiert Wärme, indem heißeres Material aufsteigt und kühleres absinkt. In Sternen und Planeten entstehen dabei turbulente Strömungen, die ihre großräumige Dynamik prägen und in planetaren Kernen an der Erzeugung globaler Magnetfelder beteiligt sind. Wie sich solche Strömungen unter sehr schneller Rotation verhalten, lässt sich in fernen Himmelskörpern aber nicht direkt beobachten.
Theoretische Modelle sagen für stark rotierende Systeme ein diffusivitätsfreies Regime voraus. In diesem Grenzfall werden Wärmetransport und großräumige Strömung nicht mehr von der mikroskopischen Viskosität und thermischen Diffusion bestimmt, sondern vor allem von Auftrieb, Trägheit und Rotation. Ob diese Skalengesetze auch in einem geschlossenen klassischen Laborexperiment auftreten, war bisher unklar.
Das Standardmodell für solche Versuche ist die rotierende Rayleigh-Bénard-Konvektion. Dabei wird eine Flüssigkeit von unten erwärmt, von oben gekühlt und zugleich um eine senkrechte Achse gedreht. An den festen Wänden bilden sich jedoch thermische Grenzschichten, außerdem können stationäre Konvektion und wandgebundene Strömungsmoden entstehen. Diese diffusionsabhängigen Effekte haben den gesuchten Grenzbereich bislang überlagert.
Forscher der University of California, Los Angeles (UCLA) um Dr. Jewel A. Abbate haben nun einen anderen Strömungsmodus genutzt. Ihr zylindrischer Versuchsbehälter war 40,0 Zentimeter hoch und 19,9 Zentimeter breit und mit flüssigem Gallium gefüllt. In diesem Metall kann bei schneller Rotation ein thermisch-inertialer, schwingender Konvektionsmodus auftreten, der vom Temperaturgefälle im Inneren der Flüssigkeit angetrieben wird und die thermischen Grenzschichten an den Gefäßenden in führender Ordnung umgeht.
„Mit unserem Experiment konnten wir diesen theoretisch vorhergesagten Zustand erstmals im Labor nachweisen. Damit gewinnen wir deutlich mehr Vertrauen in die Modelle, mit denen wir Prozesse im Inneren von Sternen und Planeten beschreiben“, sagt Dr. Jewel Abbate.
Das Team hat im Experiment zugleich Wärmetransport, Strömungsgeschwindigkeit und Temperaturschwankungen im Flüssigkeitsinneren erfasst. Fünf Thermistoren maßen die internen Temperaturschwankungen, während ein Ultraschall-Doppler-Verfahren die vertikale Strömungsgeschwindigkeit bestimmte. Die Messreihen deckten jeweils ungefähr zwei Größenordnungen der thermischen Anregung und der Rotationsstärke ab. Sie wurden zudem mit sieben direkten numerischen Simulationen verglichen.
Alle drei unabhängig bestimmten Größen folgten im oszillierenden Bereich quantitativ den diffusivitätsfreien Modellvorhersagen. Besonders deutlich war die Übereinstimmung des Wärmetransports in breiteren Gefäßen, die einer theoretisch betrachteten ausgedehnten Flüssigkeitsschicht besser entsprechen. Temperaturschwankungen und vertikale Geschwindigkeiten stimmten auch über verschiedene Gefäßgeometrien hinweg gut mit der Theorie überein.
„Die besondere Stärke unserer Arbeit liegt darin, dass Theorie, Experiment und numerische Simulationen nun quantitativ übereinstimmen. Damit konnten wir experimentell bestätigen, dass die zugrunde liegenden physikalischen Modelle den beobachteten Wärmetransport sehr gut beschreiben. Dadurch können wir solche Modelle nun mit deutlich größerem Vertrauen auch auf das Innere von Planeten und Sternen anwenden“, fasst Dr. Tobias Vogt vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) zusammen.
Die Übereinstimmung gilt allerdings nicht für jeden Strömungszustand im Gefäß. Sobald zusätzlich die stationäre Konvektion einsetzt