Bestimmen Grenzschichten die Konvektion in Sternen und Planeten?

Die Strömungen heißer Gase und Flüssigkeiten in Himmelskörpern hängen stark davon ab, wie sich die Grenzschichten zwischen heißeren und kühleren Konvektionszellen verhalten. Bisher nahm man dass, dass Coriolis- und Auftriebskraft dominieren. Entsprechende Ergebnisse stellten US-Forscher und ihr deutscher Kollege Ulrich Hansen vom Institut für Geophysik in Münster am 15. Januar im Fachmagazin "Nature" vor.

Computersimulation der Konvektion
Computersimulation der Konvektion

Münster - Konvektion sorgt in den äußeren Schichten von Sonne und Erde für den Energietransport vom heißen Kern zur Oberfläche. Physiker der Universität Los Angeles und der Universität Münster berechneten nun genauer, welchen Einfluss die Grenzschichten von aufsteigender heißer und absteigender kühlerer Materie auf die Strömung haben.

Strömungen, die Energie wie zum Beispiel Wärme transportieren, sind konvektiv, wenn in geordneter Form heißes Material aufsteigt und kühleres absteigt. Verwirbeln die Bereiche heißer und kühlerer Materie, spricht man von turbulenter Strömung. Klar ist, dass die stärkere Rotation eines Himmelskörpers eher zu Konvektion führt. Bisher waren Geophysiker davon ausgegangen, dass die Grenze zwischen Konvektion hauptsächlich vom Verhältnis zwischen der Corioliskraft und der Auftriebskraft der wärmeren Materieblasen abhängt.

In ihrem Nature-Artikel berichten nun Eric M. King aus Los Angeles, Ulrich Hansen aus Münster und ihre Kollegen, dass eine geänderte Hypothese bessere Ergebnisse liefert. Sie gehen davon aus, dass das Verhältnis der Dicken verschiedener Grenzschichten entscheidend ist. Die eine ist die Grenzschicht zwischen dem rotierenden Körper und der umgebenden Flüssigkeit. Sie entsteht zum Beispiel, wenn man ein Glas in Drehung versetzt und wird Ekman-Schicht genannt. Die andere Schicht ist die thermische Grenzschicht, also die Schicht, in der noch keine Strömung stattfindet, weder turbulent noch durch Konvektion. Nach Hansen tritt Konvektion dann auf, wenn die Ekman-Schicht dicker ist als die thermische Grenzschicht. Wird nun etwa die thermische Grenzschicht dicker, können sich die Verhältnisse umkehren und die Konvektion kann sich in turbulente Strömung verwandeln.

Die Forscher wollen mit ihrer Arbeit zwar die Verhältnisse im Erdkern untersuchen, stützen sich jedoch auf grundlegendere Überlegungen, die sie mit Hilfe eines rotierenden Zylinders untermauern. Dieser Zylinder wird von unten geheizt, die Drehgeschwindigkeit und Temperatur wurden geändert. Die Überprüfung der Messdaten ergab eine gute Übereinstimmung mit der neuen Hypothese. Analoge Ergebnisse lieferten Computersimulationen, die an der Westfälischen Wilhelms-Universität an Großrechnern durchgeführt wurden.

Weil besonders das Magnetfeld von Himmelskörpern auf konvektiven Strömungen heißen Materials beruht, weisen die Geophysiker speziell darauf hin, dass die Strömungen im Erdkern sich näher an der Grenze zu turbulenten Strömungen befinden als bisher angenommen. Das Magnetfeld, das die Oberfläche vor gefährlicher kosmischer Strahlung bewahrt, könnte demnach leichter geschwächt werden oder sich umpolen. Wahrscheinlich bleibe das Erdmagnetfeld aber auf längere Zeit stabil.