Strömungsmechanik

Kugelspalt-Experiment

Kugelschalengeometrie ist allgegenwärtig in unserer Natur. Viele Planeten, Monde und Sterne in den Sonnensystemen bestehen aus einem festen inneren und einem flüssigen äußeren Kern, ummantelt von einer festen Hülle (die Kugelschale). Allein auf der Erde findet man diverse Anwendungen der Kugelschalengeometrie wieder. Die unten stehende Tabelle soll verdeutlichen, welche Rolle Kugelschalen auf unserer Erde spielen.

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers
T +49 (0) 355 69 4868
christoph.egbers(at)b-tu.de

innere Kugeläußere Kugelspaltfüllendes Fluidrelevant für:
Atmosphäre (Troposphäre)ErdkrusteTropopauseLuft/ Wasser GasgemischMeteorologen/ Atmosphärenphysiker
Ozean (spez. Äquatorialozean)OzeankrusteOzeanoberflächeSalzwasserOzeanographen
Erdkernfester Eisenkernunterer Erdmantelgeschmolzenes MetallGeophysiker

Die meisten dieser Kugelschalen rotieren nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit um ihre eigene Achse. Sie unterlaufen erzwungen Variationen der Rotationsrate. Dies kann z.B. Libration, eine überlagerte Oszillation der Innen- und/ oder Außenkugel, oder sogenannte differenzielle Rotation sein, bei der beide Kugeln unterschiedlich schnell um ihre Achse rotieren. Ersteres kann durch Wechselwirkungen mit Gravitationspartnern (Gezeiten) entstehen (z.B. Merkur ↔ Sonne) und zweiteres kann z.B. nach einem starken Erdbeben auftreten, welches die Rotation des Erdmantels bzw. des inneren Erdkerns beeinflusst. Ferner tritt differenzielle Rotation auch in Akkretionsscheiben, Sternen oder Galaxien auf.

All diese Hintergrundrotationen haben einen großen Einfluss auf das Strömungsverhalten im Kugelspalt. Je nachdem, welcher Rotationszustand vorliegt, können unterschiedliche Phänomene isoliert untersucht werden, z.B. Trägheitswellen, Stewartsonschichten und diverse Instabilitäten, um nur einige zu nennen.

Der Cottbuser Kugelschalenapparat (CoGeoF2a) ist ein Experiment, in dem genau solche Phänomene untersucht werden können. Ursprünglich wurde das Experiment aufgebaut, um Erdmantelkonvektionen zu untersuchen, indem der innere Kern beheizt und die äußere Schale gekühlt wird. Heute wird das System isotherm genutzt, um Wellendynamik, speziell Trägheitswellen, zu untersuchen.

Das untenstehende Schema soll zeigen, welche Phänomene aktueller Untersuchungsgegenstand an diesem Experiment sind.