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Fluiddynamik

 

 

Ein Modell zur Rayleigh-Bénard und Bénard-Marangonie Konvektion für den Schulunterricht 

Fast jeder hat schon einmal ein vergrößertes Bild unserer Sonne gesehen und konnte dabei feststellen, dass sie eine körnige Oberflächenstruktur aufweist, die so gennante Granulation. Wenn man genauer hinschaut, dann entdeckt man, dass einige dieser Zellen ein bienenwabenartiges Aussehen besitzen. Dieses Muster entsteht durch thermische und thermokapillare Konvektionsbewegungen der Materie, die in dieser speziellen Form als Rayleigh-Bénard und Bénard-Marangonie Konvektion bezeichnet wird. Nicht nur die Sonne zeigt ein solches Strukturmuster, sondern auch planetare Wolkensysteme (Abb. 1), welche aus Konvektionszellen bestehen.

 

Benard-Zellen5
 
Abbildung 1: Rayleigh-Bénard Konvektion in den Wolken
 
 
 
 
Ein Modell zur Kelvin-Helmholtz Instabilität für den Schulunterricht

 

An der Ober- oder Unterseite von Wolken bilden sich gelegentlich Wellenstrukturen aus, die ganz der Brandung am Meeresstrand gleichen ( Abb. 2). Fließen zwei Schichten unterschiedlicher Dichte mit einer Relativgeschwindigkeit v aneinander vorbei, dann können unter bestimmten Bedingungen turbulente Strömungen entstehen. Aus diesem Grund bilden sich auch die Wellen an der Meeresoberfläche, weil sich Luft- und Wasserschichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen.Dieses Phänomen wird als Kelvin-Helmholtz Instabilität bezeichnet. 

 

KH

 Abbildung 2: Kelvin-Helmholtz Instabilität in den Wolken

 

 

 Ein Modell zur Rayleigh-Taylor Instabilität für den Schulunterricht 

 

Ein bekanntes Beispiel für die Rayleigh-Taylor Instabilität ist das fransige Aussehen des Krebsnebels. Bei dieser Instabilität sind zwei Fluide aufeinander geschichtet, wobei sich das leichtere Fluid unten befindet und das schwerere oben. Diese Schichtung ist aufgrund der Gravitation immer instabil und das schwerere Fluid bahnt sich seinen Weg durch das leichtere Fluid. Dabei entstehen pilzförmige Strukturen bzw. Tropfen mit Fäden. Diese Instabilität kann auch entstehen, wenn z.B. ein Stern seine Hülle aufgrund einer Supernova in den intersellaren Raum befördert, wie dies der Fall beim Krebsnebel - einen planetarischen Nebel - war.

 

 

Krebsnebel
 
Abbildung 3: Krebsnebel (Quelle: NASA, ESA, J. Hester (Arizona State University)
 

 

Um die Überlegungen zu planetarischen Nebeln zu vertiefen und Schülerinnen und Schüler einen experimentellen Zugang zu diesen faszinierenden astronomischen Objekten zu ermögliche, wurde ein Arbeitsheft entwickelt. In diesem können die strukturbildenden Phänomene und auch die Schwierigkeiten bei der Erforschung von planetarischen Nebeln durch die Unterrichtsmethode Stationenlernen erforscht werden. Die dazu nötigen Stationenkärtchen sowie Hintergrundinformationen für die Lehrer befinden sich im Heft.

Wir wünschen viel Erfolg bei der Durchführung des Stationenlernens und freuen uns über Rückmeldungen!

Lenka Müller und Sascha Hohmann