Strukturen in einer rotierenden Kugel
1. Problemstellung
otierende fluide Systeme kommen in der Natur häufig vor. Fast alle Himmelskörper und Galaxien möglicherweise das gesamte All können als rotierende fluide Systeme aufgefasst werden
Auch in der Technik sind rotierende fluide Systeme häufig. Der Fall, dass das Fluid sich längst gekrümmter, feststehender Wände bewegt, ist ziemlich gründlich erforscht. Unter bestimmten Bedingungen kann man dabei gleichmäßige Wirbelmuster beobachten, die Görtlerwirbel (1) oder Taylorwirbel genannt werden.
Nach der Ansicht von Taylor (2) bilden sich die nach ihm benannten Wirbel aus, wenn in einem feststehenden Zylinder ein zweiter Zylinder rotiert oder sich beide Zylinder mit einer unterschiedlichen Drehzahl oder unterschiedlichen Drehrichtung bewegen.
Ich habe horizontale Wirbelmuster in einem Hohlzylinder beobachtet, in dem eine Flüssigkeit rotierte und die wahrscheinlich als Görtlerwirbel eingeordnet werden können.
Wirbel entstehen in fluiden Medien häufig; das entscheidende für Taylor- und Görtlerwirbel ist aber, dass diese unter bestimmten Bedingungen sehr stabil sein können und sehr gleichmäßige, gut reproduzierbare Wirbelmuster und Wirbelgeometrien aufweisen können. Aus der Kenntnis dieser Umstände ergibt sich die Frage, welchen Einfluss eine doppelte Krümmung der Wand auf das Entstehen von Wirbeln haben könnte.Die im Folgenden beschriebenen Versuche mit einer rotierenden Glaskugel brachten ein überraschendes Ergebnis: Die sich infolge der Drehung der Kugel entwickelnden Strukturen sind zum großen Teil Schwingungen; Wirbel spielen nur eine zweitrangige Rolle.
2. Versuche
Bild 1 zeigt den Versuchsaufbau. Ein zweifach gelagerter runder Glaskolben wurde über eine Riemenscheibe, die am Hals des Kolbens befestigt war, angetrieben. Die Welle war hohl ausgeführt, um während des Versuches Farbstoff in die Flüssigkeit injizieren zu können. Für die meisten Versuche wurde Wasser verwendet, dem geringe Mengen suspendierbarer Feststoffe beigemischt wurde. Diese suspendierten Feststoffe und die eingespritzten Farbstoffe erlauben es, Strömung sichtbar zu machen.
Bild 1 Versuchsapparatu
3. Die Entstehung von Schwingungen
Die Rotation ist ein periodischer Vorgang und kann auch als Schwingung betrachtet werden. Daraus ergeben sich zwei wichtige Faktoren:
• Die Drehzahl bestimmt die Frequenz der Schwingungen
• Der Kugeldurchmesser bestimmt die Wellenlänge der Grundschwingung λ0 =d, deren Schwingungsebene der Äquator ist. Der Begriff der Wellenlänge wird verwendet, obwohl es sich nicht um Wellen handelt.
Auf der Grundschwingung bauen sich Oberschwingungen (OS) auf:
• In der Äquatorebene • In Schwingungsebenen parallel zum Äquator mit den Durchmessern d/2 , d/4 ,d/8 … d/2n als Hauptebenen n= Nummer der Oberschwingung. Bisher wurden in einer Kugelhälfte bis zu 6 Schwingungsebenen (d/2, d/4, d/8, d/16, d/32, d/64) nachgewiesen. Zwischen den Hauptebenen gibt es Zwischenebenen d(n-1)/n.
• Auf den Schwingungsebenen entstehen Oberschwingungen, die den Durchmesser in den Strecken d/2, d/4, d/8 …d/2n teilen, wobei n die Nummer der Oberschwingung ist. Bisher wurden auf dem Äquator bis zu sechs Oberschwingungen festgestellt. Die entstehenden Wellenlängen sind: ;
Bild 2 Schwingungsebenen (Hauptebenen)
Die maximalen Wellenlängen auf den Schwingungsebenen sind mit ihrem Durchmesser gegeben. Auch hier sind weitere Oberschwingungen möglich, die die Schwingungsebene in den Strecken d/2, d/4, d/8 …d/2n teilen, wobei hier d der Durchmesser der betreffenden Ebene ist.
Die Schwingungsebenen markieren sich auf der Kugeloberfläche als Streifenmuster.
Für die erste Oberschwingung sind zwei Schwingungsebenen möglich. Die erste der Äquatorebene und die zweite in einer Schwingungsebene der Größe d/2. Beide haben eine Schwingungsrichtung senkrecht zur Äquatorebene. Die zweite Schwingung kann man mit suspendierten Teilchen sichtbar machen. (Leider sind die Konturen sehr schwach ausgebildet und auf Fotos schlecht zu erkennen.) Die zweite Oberschwingung muss auf den Ebenen d, /2 und d/4 zu finden sein. Mit steigender Drehzahl erhöht sich die Grundfrequenz, was zu einer Verkürzung der Wellenlängen führen muss. Andererseits sind alle Wellenlängen durch die Wellenlänge der Grundschwingung λ0 =d festgelegt. In den folgenden Beobachtungen wird versucht, eine Lösung für diesen Widerspruch zu finden.
Bei den Versuchen wurde eine 6-Liter-Kugel verwendet. Für die Visualisierung wurden suspendierte Teilchen oder eingespritzte Tinte verwendet. Beide Methoden haben Nachteile:
" suspendierte Teilchen zeigen überwiegend die Oberflächenstrukturen oder Kegel- und Ringwallstrukturen
" eingespritzte Tinte lässt sich nicht punktgenau platzieren, sodass man nicht genau vorausbestimmen kann, welche Strukturen gezeigt werden sollen.
" Mit beiden Methoden kann man nicht alle Strukturen sichtbar machen. Man weiß häufig nicht, ob eine Struktur nicht vorhanden oder nicht sichtbar gemacht ist.
4. Innere Strukturen
Die im Folgenden verwendeten Bilder wurden bei Versuchen mit einer 6-Liter-Kugel erhalten.
Der Bereich innerhalb von d/2 in beiden Kugelhälften wird als innerer Bereich bezeichnet, weil die Strukturen in diesem Bereich etwas andere Eigenschaften haben, als die außerhalb befindlichen Strukturen.
Bei geringen Drehzahlen findet man dort Kegel- und Ringwallstrukturen( Bild 3)
Bild 3 Drehzahl 25 min-1
Bild 5 Drehzahl 52 min-1
Der Kegel hat sich vergrößert.
Bild 6 Drehzahl 65 min-1
Der Kegel und der Ringwall sind weiter gewachsen.
Bild 7 Drehzahl 95 min-1
Der Kegel hat die Äquatλorebene erreicht und sich annähernd zum Zylinder gewandelt. Innerhalb des Zylinders sind Schwingungen mit λ3 =λ /8 und λ4 zu erkennen. Innerhalb des λ2-Zylinders sind bei höheren Drehzahlen weitere Zylinderstrukturen zu beobachten.
Bild 8 Drehzahl 250 min-1
Der λ2 -Zylinder und auch die darin befindlichen Strukturen reichen auf Bild 7 vom Boden der Kugel bis zum Äquator. Andere Beobachtungen zeigen aber, dass die Zylinderstrukturen durch die Schwingungsebenen in Segmente aufgeteilt werden. Die Zylinderstrukturen sind dünnwandige Hohlzylinder.
Auf der Oberfläche sind keine weiteren Strukturen zu erkennen. Das unterscheidet sie von den Zylindern, die sich außerhalb von λ1 befinden, die weiter unten besprochen werden. Es ist gerechtfertigt, mit dem λ1 -Zylinder die Kugel in zwei unterschiedliche Bereiche zu unterteilen.
Bild 9 Drehzahl 210
Bild 10 Drehzahl 117
5. Äußere Strukturen
Strukturen beginnend mit dem λ1 -Zylinder sollen äußere Strukturen genannt werden.
Bild 11 Drehzahl 75min-1
Bilder 9 und 10 zeigen Strukturen außerhalb desλ 1 -Zylinders und oberhalb der Kegelstruktur in der Äquatorebene:
" Gegenstrukturen zu Kegel und Ringwall, die mit beiden verzahnt sind
" eine Zylinderstruktur auf deren Oberfläche senkrechte Schwingungen zu erkennen sind.
Die folgende Bildserie 1 zeigt die Veränderung der Strukturen unterhalb der Äquatorebene bei steigender Drehzahl:
" Es treten schon bei geringen Drehzahlen hochfrequente Schwingungen auf.
" Die Konturen kontrahieren und verlagern sich polwärts.
" Die Frequenz der senkrechten Schwingungen scheint zu zunehmen.
" Einige Schwingungen reichen bis über den Äquator hinaus in die obere Hälfte. Beide Halbkugeln bekommen dadurch unterschiedliche
Strukturen.
Serie 1 ( mit Drehzahlen )
Drehzahl 150 :“ Freie Räume“ In der Sicht von oben hat man eine viereckige sternförmige Struktur( siehe auch Drehzahl 94 ) .In den Zwischenräumen könnte Platz für senkrechte Wirbel sein.
Bilderserie 2 zeigt (was selten zu sehen ist) Streifenmuster auf beiden Kugelhälften. In der oberen Hälfte zeigen sich nur zwei schmale Ringe. Zugehörige Strukturen, die es aber geben muss, sind nicht zu sehen. Offensichtlich sind die Ringe hydraulisch isoliert, und es erfolgte kein Stofftransport zu ihren benachbarten Strukturen. In der unteren Hälfte sind auf der Ebene 0,94d bei 50 /min senkrechte Schwingungen zu erkennen, die bis in die obere Hälfte reichen. Mit Drehzahlerhöhung
*verlagert sich die gesamte Struktur polwärts. Die Verlagerung geschieht nicht kontinuierlich, sondern ruckweise immer dann, wenn eine Frequenzverdoppelung/ Wellenlängenhalbierung stattfindet.
* Die senkrechten Schwingungen wandern zur Mitte
*die Amplitude( Elongation) nimmt ab.
Es gibt einen wichtigen Unterschied zur Bilderserie 1: Die 0,94d-Struktur berührt bei Drehzahlen von 70/min( Serie 1) und 56 /min (Serie 2) die Wand der Kugel. In Serie 1 entfernt sie sich danach von der Wand in Richtung der Drehachse. Bei Serie 2 bleibt sie bei Verlagerung immer mit der Wand der Kugel verbunden.
Obwohl der Startpunkt in beiden Fällen gleich zu sein scheint, ist der Unterschied gravierend. Vermutlich sind beim Farbeinspritzen unterschiedliche Bereiche eingefärbt worden.
Serie 2( mit Drehzahlen )
Serie 3 (mit Drehzahlen)
In dieser Serie wird die Drehzahl mehrmals nacheinander gesenkt und wieder gesteigert. Zwischendurch wird nochmals Tinte eingespritzt.
Zwischen 179 und137 /min bleiben die oberen Streifen unverändert. Erst bei 108/min wandert ein Streifen von der Position d/2 in die 0,92d-Position, ein neuer d/2-Streifen und ein d/4 –Zylinder werden gebildet. Der untere Streifen hat sich ebenso in Richtung Äquator verlagert. Bis 77/min bleiben die Strukturen ortsfest
Während des Einspritzens wird der Farbstoff sehr schnell vertikal verteilt.
um dann bei Drehzahlerhöhung ab 105/min in umgekehrter Richtung zu wandern.
Die Drehzahlerhöhung auf 231 min-1 führt zu einer Kontraktion der Strukturen, die nach Drehzahlabsenkung wieder expandieren (analog Serie 1und 2). Im oberen Teil sind wieder wandernde Streifen zu sehen.
Bei 77 min-1 sind außerhalb des λ1 –Zylinders Schwingungen sichtbar, deren Amplitude und Wellenlänge sich mit fallender Drehzahl vergrößern. Ab 56 min-1 durchstoßen sie teilweise die Äquatorebene. Das Schwingungsbild in der oberen Hälfte unterscheidet sich dabei von dem der unteren. Das hat zur Folge, dass beide Kugelhälften ähnliche, aber immer unterschiedliche Strukturen aufweisen.
Eine nochmalige Drehzahlerhöhung erzeugt nicht die Bilder, die vor der Absenkung zu sehen waren. Offensichtlich sind nicht alle Vorgänge, die bei Drehzahländerung ablaufen reversibel
Bild 13 Drehzahl 248
Die Zylinderstruktur auf der Ebene 0,6d zeigt deutliche Längsschwingungen. Ihre Zahl beträgt 64 bei einer ungefähren Breite von 7/16d.
Bild 14 Drehzahl 180
Ebene 13/16d Streifenzahl 64 bei einer Breite von ungefähr 0,06d .(Die genaue Messung der Streifenbreite ist sehr schwierig)
5.1. Strukturen in Kugeln mit festen Oberflächen
Kugeln mit festen Oberflächen bilden unmittelbar unter der Oberfläche Strukturen aus,
die bei Kugeln ohne feste Oberfläche nicht beobachtet werden.
In Bilderserie 5 sind einige Strukturen zu sehen, die möglicherweise aber nur oberflächennahe
Strukturen sind. Die Unterscheidung zu echten Oberflächenstrukturen mit Hilfe dieser Bilder
ist schwierig und führt sicher zu Irrtümern.
Serie 4
Drehzahl 98 Drehzahl 129 Drehzahl 146
Drehzahl 162 Drehzahl 178 Drehzahl 183
Drehzahl 195 Drehzahl 200 Drehzahl 210
Drehzahl 230. Drehzahl 245 Drehzahl 300
Drehzahl 248 Drehzahl 304 Drehzahl 252
Alle in diesem Teil beobachteten Streifenmuster sind sehr flach. Sie scheinen in radialer Richtung keine Dimension zu haben und wurden deshalb zu Oberflächenmustern gerechnet. Dort, wo die Muster verschiedener Bilder nicht zu einander passen, handelt es sich wahrscheinlich um Strukturen, die hintereinander liegen. Hier gibt es noch Klärungsbedarf. Der Versuch, Oberflächenmuster durch Einspritzen von Farblösung direkt an die Oberfläche sichtbar zu machen, ist nicht gelungen. In allen Fällen wurde die Oberfläche der betreffenden Kugelhälfte vollständig eingefärbt. Einzelne Strukturelemente wurden nicht sichtbar.
Nach längerem Gebrauch zeigten sich zeigten sich auf der Innenseite der Kugeloberfläche dunkle Stellen, die von den Pigmenten der eingespritzten Tinte stammten. Nach der Demontage der Kugel konnte man auf der unteren Kugelhälfte deutliche Muster erkennen. Diese Bilder sind wichtig, weil dieser Bereich der Kugel durch das untere Lager verdeckt und deshalb nicht sichtbar ist .Leider kann man diese Bilder keinen konkreten Drehzahlen zuordnen. Sie repräsentieren aber Strukturen, die häufig auftreten. Sie sind auf jeden Fall echte Oberflächenstrukturen. Sie passen mit ihren Abmessungen sehr gut zu den innen liegenden Strukturen.
Bild 15
Bild 16
Die Abmessungen der oberflächennahen und der Oberflächenstrukturen weisen diese alsOberschwingungen aus. Klare Abhängigkeiten, die zu den im Inneren befindlichen Strukturenbestehen müssen, sind noch nicht zu erkennen.
6. Stofftransport
Es gibt zwei Arten des Stofftransports in der rotierenden Kugel :
- Umlagerung von Schwingungsstrukturen infolge Drehzahländerungen
- Stofftransport durch Strömung
Die Umlagerung von Schwingungsstrukturen ist in der Bilderserie 1 bereits gezeigt. Hierbei
verlagern sich Schwingungsstrukturen mit den dazugehörigen Raumgebieten, wobei die
Strukturen sich in ihrer Form verändern, aber weiterhin scharf abgebildet werden. Daraus
folgt, dass dieser Vorgang ohne Vermischung, das heißt, ohne Beteiligung von Strömungen
abläuft.
Der Stofftransport durch Strömung wird durch Einspritzen von Farblösungen beobachtet.
Nach dem Einspritzen bildet sich innerhalb einer Umdrehung ein farbiger Ring, der durch
den Einspritzvorgang verursachte Wirbel zeigt. Innerhalb von etwa einer Sekunde wird die
Farbe vertikal verteilt und eine senkrechte zylindrische Struktur mi einer Höhe von ca. 5cm
sichtbar. Dieser vertikale Stofftransport ist nur durch eine Strömung innerhalb der
Zylinderstruktur möglich. Die Linien der Zylinderstrukturen sind die von den umgebenden
Bereichen der Flüssigkeit offenbar isoliert, denn eine Verteilung des Farbstoffes in die Umgebung
findet nicht statt.
Zwischen einigen Zylinderstrukturen (Bilder 18,19) sind schraubenförmige, zylindrische
Strukturen zu beobachten, die durch Überlagerung einer Drehbewegung und einer
Vertikalbewegung entstehen und Wirbel sind. Der Farbstoff befindet sich auf
der Oberfläche dieser Wirbel, d.h. es sind Hohlzylinder, deren Oberfläche rotiert und
sich gleichzeitig nach unten bewegt. Da nur die Oberfläche des Wirbels gefärbt ist, gibt
es zwischen Wirbeloberfläche und seinem Inneren keinen Stofftransport.
Bild 19 zeigt Wirbel mit kleineren Durchmessern in mehreren Zylindern. Wie auf Bild 18
sind nicht alle Strukturen gleich gefärbt. Auch zwischen den Wirbeln scheint es keinen
Stoffübergang zu geben. Die feineren Strukturen in Bild 19 legen nahe, dass viele
Zylinderstrukturen aus einzelnen zylindrischen Wirbeln bestehen.( Bilder 13, 14)
Bild 17 Bild 18 Drehzahl 173
Bild 18:Drehschwingungen zwischen den Zylindern 5/16d und 4/16d.Der Durchmesser der
Drehschwingung ist etwa 1/16d.
7. Zur Frage der zwei Kugelhälften
Beide Kugelhälften haben in der Regel ein etwas anderes Aussehen. Beim Einspritzen von Tinte werden beide Kugelhälften immer unterschiedlich eingefärbt. Andererseits vermitteln viele Bilder den irrtümlichen Eindruck ,dass beide Hälften ihre Strukturen unabhängig von einander ausbilden. Bild 20 zeigt die Ursache für das unterschiedliche Aussehen der Kugelhälften. Die Schwingungen der unteren Hälfte reichen über den Äquator hinaus in die obere. Damit ist die Entstehung einer identischen Struktur nicht möglich. Der Kritiker mag sagen, dass die Versuchsanordnung (exzentrische Drehung, Hals am Glaskolben) die Ursache sein könnte. Aber: Unterschiede zeigen sich auch bei allen Planetenbildern( NASA). Ihr tieferen Ursachen wird lange ein Geheimnis der Natur bleiben.
Bild 19 Drehzahl 50 ( Bilderserie 3 Bild 20 Drehzahl 70
8. Strukturen in einer Hohlkugel
Für diese Versuche wurde die Kugel nur teilweise gefüllt Durch die Drehung bildete sich an der Wand ein Flüssigkeitsring, in dem Strukturen sichtbar wurden, die von der vollständig gefüllten Kugel schon bekannt sind.
Die Strukturen sind durch suspendierte Feststoffe sichtbar gemacht. Das Einspritzen von Farbe ist nicht gelungen
Bild 21 Drehzahl 258
Bild 22 Drehzahl 422
Das Innere der Planeten ist nicht homogen. In den meisten Fällen sind nicht miteinander mischbare fluide Medien enthalten ( Gase, flüssige oder feste Metalle, Schmelzen ) .Daraus ergibt sich die Frage, ob die Verschiedenartigkeit der Medien Einfluss auf die inneren Strukturen hat. Die Versuche mit der teilweise gefüllten Kugel zeigen, dass zumindest ähnliche Strukturen entstehen, die in einer Kugel mit nur einem homogenen Medium zu beobachten sind.
9. Planetenstrukturen
9.1 Gasplaneten
Alle Gasplaneten haben ausgeprägte Streifenstrukturen. Von der NASA/ Photojournal/Internet ist ein umfangreiches Bildmaterial veröffentlicht. Das Ausmessen der Strukturen ergibt eine befriedigende Übereinstimmung mit den Versuchen. Als Ursache für die Bildung der Streifen werden in der Fachwelt, wie auch bei der Erde, thermische Konvektionsströme angenommen. Dem steht entgegen, dass
- Konvektionsströme im Maßstab der Planeten immer zu Turbulenz führen und ein Streifenmuster verhindern würden.
- Dass Streifenmuster wird im Versuch mit einer rotierenden Kugel unter isothermen Bedingungen erzeugt. Temperaturgradienten sind dem zufolge nicht erforderlich.
Zwischen den Streifen sind bei Jupiter und Saturn turbulente Strömungen vorhanden. Die Strömungsrichtung benachbarter Streifen kann gegensinnig sein. Das ist nur möglich, weil die Streifengrenzen Schwingungsstrukturen sind, die für Stofftransport und Impulsübertragung undurchlässig „ hart „sind. Auch das magische Sechseck am Südpol des Saturn kann durch Strömungsvorgänge nicht entstanden sein und für längere Zeit stabil existieren. Ein Sonderfall sind die Fleckenstrukturen, die auf allen Gasplaneten zu finden sind. Im Experiment konnten sie noch nicht gefunden werden. Besonders viele Flecken haben Jupiter und Saturn. Viele Fachleute tun diese Flecken als „Wetter“ ab. Typisch für die Flecken ist:
- eine Wirbelstruktur,
- eine feste äußere Umgrenzung
- ortstabil und langlebig
Im Gegensatz dazu sind Tief- und Hochdruckgebiete in unserer Atmosphäre sind kurzlebig und wandern. Sie haben keine scharfen Grenzen. Es liegt nahe, die Flecken zu den Schwingungsstrukturen zu rechnen. Dagegen sprechen aber ihre ungleichmäßige Verteilung auf der Oberfläche sowie ihre unterschiedliche Größe. Von Schwingungsmustern erwartet man Harmonie und Symmetrie. Oder gibt es auch eine Turbulenz der Schwingungen?
9.2 Die Erde
Auf der Erdoberfläche ist eine Reihe von Hauptstrukturen festzustellen, die parallel zur Erdachse (Tiefseegräben, Grabenbruchsysteme) oder parallel zum Äquator verlaufen. Besonders der Ural und einige Tiefseegräben verlaufen fast wie mit dem Lineal gezogen in Nord - Süd-Richtung. Das ist eine wesentliche Besonderheit der Erde gegenüber den Gasplaneten, dass Längststrukturen auf der Oberfläche abgebildet werden. Strukturen, die parallel zur Achse verlaufen sind im Versuch nachgewiesen:
- Oberfläche- und oberflächennahe Strukturen
- Innere Zylinderstrukturen oberflächennahe Strukturen (Bilderserie 5; Drehzahlen 216, 246,304) sind in Äquatornähe zu finden.
Im Versuch zeigten sich die oberflächennahen Strukturen als flache Gebilde. Mit der Entstehung der Tiefseegräben können sie nicht zusammenhängen. Solche gewaltigen Materialtransporte sind nur durch großräumige, tiefreichende Strömungen/ Wirbel möglich. Die direkte Beobachtung dieser Wirbel ist noch nicht gelungen.
Bild 23 Drehzahl 150
Ansatzpunkt einer Schwingungsebene! Sind die Ebenen in einzelne Ringe aufgeteilt?
Den indirekten Nachweis liefert Bild 23. Zwischen den Schwingungsstrukturen sind vier nicht eingefärbte Gebiete zu erkennen, die genug Raum für größere Wirbel haben. ( Das ist kein Beweis, denn dort können auch Schwingungen sein !) Die vermuteten Wirbel sollten Doppelwirbel sein. Daraus erhält man senkrechte Strukturen mit aufsteigenden und vier absteigenden Gebieten (bezogen auf die Oberfläche).
Bild 24 Wirbel und Magmaströme
Innere Zylinderstrukturen mit den dazugehörigen Wirbeln sind die Ursache der Hauptstrukturen auf der Erdoberfläche, die parallel zur Erdachse verlaufen und einen Teil der Kontinentaldrift verursachen. Sie sind eine unmittelbare Folge der Erdrotation. Driftbewegungen zwischen den Polen und dem Äquator bedürfen der Änderung der Drehzahl der Erde. Unsere Erde hat sich in früheren Zeiten schneller gedreht. Genaue Messungen der Rotationsdauer der Erde ergaben, dass sich die Länge eines Tages pro Jahrhundert um 0,001 Sekunden vergrößert. In der Geschichte des Menschheit geringer Wert, der aber von Bedeutung wird, wenn man mit Milliarden Jahren rechnet . (Spektrum der Wissenschaft 10/07 s.36 ,gekürztes Zitat)
Im Versuch wurden Bewegungen innerer Strukturen vom Äquator zum Pol bei Drehzahlerhöhung festgestellt. Damit verbunden ist eine Verlagerung von Streifenstrukturen in gleicher Richtung .Diese Streifen sind die Abbildungen der inneren Strukturen und gehören zu den oberflächennahen Strukturen. Die Oberflächenstrukturen werden bei Annäherung der inneren Strukturen an die Oberfläche verdrängt und in die entgegengesetzte Richtung verlagert. Die Bewegung der Kontinentaldrift erfolgt in dieser Richtung. Die Bewegungskomponenten in Nord-Süd-Richtung haben nicht den gleichen Charakter wie die in Richtung des Erdumfangs (Ost-West) .Sie sind feiner und erreichen vermutlich nicht größere Tiefen.
Auch Meteoriteneinschläge können zur Kontinentalverschiebung beitragen. Große Meteoriten haben genügend Energie, um die Erdoberfläche gegenüber dem Erdinneren zu beschleunigen, zu verzögern oder die Drehachse zu verschieben. Das belegen zahlreiche Tiefseestrukturen ( Nordpazifik ). Sie sind zueinander streng parallel angeordnet aber gegenüber dem Äquator deutlich geneigt.
Ursachen der Kontinentalverschiebung :
- Rotation der Erde
- Änderung der Rotationsdauer
- Verschiebung der Erdachse
Auch unter der Erdoberfläche könnten ähnliche Gebilde wie der rote Fleck befinden- Hot Spots /Plumes. Die Wanderung der Hot Spots könnte durch die Unterschiede in der Drehzahl zwischen Erdoberfläche und dem Erdinneren und den unterschiedlichen Drehachsen entstehen (Superrotation /6 /)
10. Geodynamo
Die verbreitete Auffassung, die das Erdinnere als Kugelschalenstruktur darstellt, ist nur eine grobe Näherung. Das Erdinnere Besteht aus Zylinderstrukturen wie bei allen rotierenden Kugeln. Bereits durch Arbeiten zum Magnetfeld der Erde /3/U.Christensen /A.Tilgner/Der Geodynamo/Internet)/ sind Zylinderstrukturen angenommen worden. Um ein Magnetfeld zu erzeugen werden senkrechte Wirbelgruppen ( Konvektionssäulen ) postuliert, wobei für die Einzelwirbel eine gleichsinnige Rotation vorausgesetzt wird, um ein Magnetfeld zu erhalten. Eine gleichsinnige Rotation muss aber an der Stelle, wo sich zwei Wirbel gegenüber stehen, zur Turbulenz führen und die Strukturen zerstören. Die gegensinnige Rotation der Wirbel kann kein Magnetfeld erzeugen. Wirbel mit gleichsinniger Rotation sind nur beständig, wenn die Wirbel von Schwingungsstruk-turen umgeben sind.
Bild 25 Vergleich von gleichsinniger und gegensinniger Rotation
Auf der Jupiteroberfläche gibt es Streifen mit Wirbeln, die eine gleichsinnige Rotation aufweisen .Diese Wirbelgebiete sind durch einen schmalen Streifen -eine Schwingungsstruktur- getrennt. An der Stelle ,wo Konvektionssäulen postuliert von werden( /3/ U.Christensen /A.Tilgner ),sind in der rotierenden Kugel Schwingungsstrukturen zu beobachten. Es liegt nahe, in diesen Strukturen die Konvektionssäulen zu vermuten, deren gleichsinnige Rotation in diesem Fall keine Turbulenz erzeugen würde. Die Konvektionssäulen wären damit eine mögliche Ursache für die Entstehung des Erdmagnetfeldes.
Neben der Rotation der Wirbel gibt es eine Bewegung in den Wirbeln parallel zur Rotationsachse. Für diese Bewegung gibt es mehrere Möglichkeiten (Bild 26)
Bild 26 Mögliche Strömungen parallel zur Rotationsachse
Im Versuch wurden bisher nur Strömungen Nach Fall A in der Nähe der Rotationsachse sicher nachgewiesen (relative Sehnenlänge >0,4). Diese Strömungen sorgen nach dem Einspritzen für die Verteilung des Farbstoffs .Für die Erzeugung eines Magnetfeldes kommen sie nicht infrage, weil die auf- und absteigenden Strömungskomponenten sich in ihrer Wirkung aufheben.
Die Erzeugung des Magnetfeldes ist auch durch Schwingungsstrukturen möglich .Die Polarlichter geben einen wichtigen Hinweis. Sie haben große Ähnlichkeit mit den Schwingungsmustern in der Kugel ( Bild 26 ) und entstehen über der Stelle, an der das irdische Magnetfeld an der Erdoberfläche austritt. Dabei bilden sie die Strukturen ab, die das Magnetfeld im Inneren der Erde erzeugen.
Die Ausmessung eines Sattelitenfotos/ 5/ ergab für den Austrittskreis der Polarlichter den Ort für die Zylinderstrukturen zwischen
- 3/8d und1/2d für die Erde
- 4/16 und5/16 d für den Jupiter mit einer Breite von d/32
Der Bereich hat eine Entfernung vom Erdmittelpunkt von 1210- 1590 km. Er befindet sich in einer Tiefe von der Erdoberfläche von 4780 - 5160 km im äußeren Kern. Eine Struktur, die senkrechte Wirbel im Versuch zeigt, ist auf Bild 18 zu finden. Diese Zylinderstruktur reicht von 4/16 bis 5/16d und liegt damit einen Zylinder zu weit in Richtung der Achse. Das kann zwei Ursachen haben:
- Die Divergenz der Linien des Erdmagnetfelds bis zum Austritt der Feldlinien an der Oberfläche ( wahrscheinlich)
- Das Magnetfeld wird in den Bereich 3/8d bis1/2d erzeugt.
Nimmt man den 4/16 – 5/16d-Zylinder als den richtigen an, besteht er aus 12 kreisförmig angeordneten, zylindrischen Wirbeln mit dem Durchmesser 1/16d, auf deren Oberfläche das Magnetfeld durch die gleichsinnige Rotation der erzeugt wird. Die Masse dieser Wirbel ist im Vergleich zur Erdmasse gering, aber immer noch zu groß , denn bei der periodische Umkehr des Magnetfelds der Erde darf nicht viel Energie verbraucht werden. Sehr wahrscheinlich ist, dass nur die Oberfläche der Wirbelröhren( Konvektionssäulen ) rotiert, so wie es aus Bild 18 ersichtlich ist. In diesem Fall wird nur sehr wenig Masse bewegt, wenn das Magnetfeld sich umkehrt, denn dabei muss sich die Drehrichtung der Wirbel umkehren
Bild 27 Entstehung des Magnetfeldes (nicht maßstabsgerecht)
Für die Entstehung des Magnetfelds der Erde scheint es mehrere Ursachen zu geben
- Achsenparallele Wirbel ( Konvektionssäulen )
- Schwingungsstrukturen innerhalb des gesamten elektrisch leitfähigen Erdkerns
Beide Vorgänge überlagern sich. Nimmt man an, das beide Induktionsvorgänge unterschiedliche Vorzeichen haben ,hat man eine sehr einfache Erklärung für die Schwankungen des Magnetfeldes als auch für seine Umkehrung. Sollten alle Induktionsvorgänge das gleiche Vorzeichen haben, wäre für die Umkehrung des Magnetfeldes eine Umkehrung der Erdrotation notwendig.
Eine wichtige Frage ist die Wanderung der Magnetpole. Sie fallen nicht mit den Polen zusammen. Die Erdachse muss eine andere Neigung als die Strukturen, die das Magnetfeld erzeugen. Dieser Unterschied kann durch Einschläge haben von Meteoriten entstanden sein; und die Polwanderung wird durch die Rückstellbewegung erzeugt. Weitere Fragen entstehen, weil die unterschiedlichen Drehachsen ihre eigenen Schwingungsmuster haben, die sich irgendwie, und nicht ohne Folgen, überlagern müssen. Diese Frage ist experimentell leider nicht zu lösen.
10. Das neue Bild der Kugel
Die Vorstellung von der Kugelschalenstruktur einer rotierenden Kugel ( Erde, Planeten ) ist überholt.
Das innere einer rotierenden Kugel besteht aus Zylinderstrukturen, deren Ränder sich als Streifenmuster auf der Oberfläche abbilden. Die Lage der Strukturen ist drehzahlabhängig. Die Ursache der Strukturbildung ist die Rotation der Kugel selbst.
Literatur
( 1 ) Witting H. Inst. f.angew. Mathe.und Mech. ,Freiburg 1958
(2) Taylor G.I.; Phil. Trans.R. Soc. 1923 A 223, 289-343
( 3 )U.Christensen /A.Tilgner/Der Geodynamo/Internet )
( 4 ) Planetary Photojournal ,NASA ,Internet
(5) Die Atmosphäre Tim-Life Verlag1983
(6) www.Ideo.columbia.edu w
