Planetenoberfläche, Erdoberfläche, Erdmagnetfeld, Kontinentalverschiebung, Wellenstruktur

Wellenstrukturen im Fluid einer rotierenden Kugel

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                                                                                                                            Stand  11.3. 2016  mit den vorläufig letzten Änderungen

Zusammenfassung
Im Fluid einer rotierenden Kugel entstehen drehzahlabhängige Strukturen,  deren alleinige Ursache die Rotation ist. Diese Strukturen sind vielfältig und komplex. Ihre Form und Größe ändern sich mit der Drehzahl der Kugel. Weil die Größe un die Form der Strukturen  von der Drehzahl = Frequenz abhängen, werden sie als Wellen gedeutet. Die folgend dargestellten Versuche beweisen die Deutung als Wellenstruktur. Die Vorstellung von einer Kugelschalenstruktur im Inneren der Planeten (Erde, Jupiter, Saturn) ist durch eine Zylinderschalenstruktur zu ergänzen. Die Ränder der Zylinderstrukturen markieren sich als Streifenmuster auf der Planetenoberfläche Der folgende Text gibt den zeitlichen Verlauf der Versuche wieder. Mit dem Fortschreiten der Erkenntnisse wird der Text ständig überarbeitet.

1. Über die Entdeckung der Wellenstrukturen 

  ( Von der Blindheit zur Erkenntnis -von der Dunkelheit zum Licht )

 Im Jahr 1978 wurde ich mit dem Problem der Salzkohle konfrontiert. Salzkohle ist Braunkohle mit einem hohen Gehalt an Natriumsalz. Dieses Salz stört bei der Nutzung von Braunkohle und man suchte nach einer einfachen Möglichkeit, dieses Salz aus der Kohle zu entfernen. Es war naheliegend eine Extraktion mit Wasser zu versuchen. Das Problem bestand nur noch darin, einen geeigneten Apparat zu finden. Nach gründlicher Überlegung fand ich, dass der Apparat ein senkrechter Holzylinder sein musste, in dem ein drehbarer Zylinder zentrisch angeordnet war. Der Bau erfolgte ohne Erlaubnis von „oben „. Der Test verlief erfolgreich und die weiteren Arbeiten mit dem Apparat wurden verboten. Nach dem ich ursprünglich geglaubt hatte, ein neues Wirkprinzip gefunden zu haben, musste ich nach gründlichem Studium der Literatur erkennen, dass das Drehzylinderprinzip ein alter Hut war. Es war seit dem Jahr 1900 Gegenstand intensiver Forschung. Mit dem Wechsel in einen anderen Teil des Instituts bekam ich die Aufgabe, einen Reaktor für die Umsetzung von Gasen in Flüssigkeiten zu entwickeln. Damit konnte ich am Drehzylinderapparat weiter arbeiten (Siehe Seite Drehzylinderapparate). In Drehzylinderapparaten entstehen periodische Strukturen, die Taylor (1) sehr gründlich untersucht und als periodischen Vorgang beschrieben hat. Görtler (2) hat als Ursache die Entstehung der Taylorwirbel aus der Strömung längst einer gekrümmten Wand abgeleitet. Für mich entstand sofort die Frage, welche Auswirkung eine doppelt gekrümmte Wand haben würde. Theoretisch konnte ich das Problem nicht lösen und ich baute im Jahr 1987 meine erste Apparatur mit einer rotierenden Kugel( Bild 1).

Bild 1 

Als Kugel verwendete ich eine 6-Liter-Kolben, weil in meinem Institut( Zentral Institut für org.  Chemie) nichts anderes vorhanden war. Mit dieser Apparatur habe ich viele Jahre gearbeitet, bis  ich erkannte, dass der Hals des Kolbens ein Störkörper war. Nachdem es mir gelungen war , die Strukturen in der Kugel durch suspendierte Feststoffteilchen oder Einspritzen von Tinte sichtbar zu machen, hatte ich eine große Anzahl schöner Bilder, die ich als Wirbel deuten wollte aber nicht konnte. Ein Besuch meines Geschäftsfreundes Frank Melcher brachte den entscheidenden Denkanstoß. Er sah meine Bilder und sagte spontan :“ Das sind Schwingungen“ ! Ich antwortete :“Du Holzei, das sind doch  Wirbel“ ! Etwas anderes passte nicht in mein Denkschema. Nach langem Nachdenken erkannte ich aber, dass  ich selber das Holzei war. Die Deutung der Kugelstrukturen als Schwingungen brachte einen wichtigen Fortschritt. Erst nach dem Bau einer neuen Apparatur erkannte ich , dass die Schwingungen der Kugelstrukturen durch eine nicht exakt zentrische Lagerung des Kolbens verursacht wurden. So hat ein apparativer Fehler zu einer richtigen Erkenntnis beigetragen.

In einer verbesserten Apparatur (Bild 2) konnte ich die wichtigsten mechanischen Fehler beseitigen.

Bild 2


















Hier hatte ich  Plastekugeln verschiedener Größe zur Verfügung, die ich auf einem Axiallager zentrisch lagern konnte. Es gelangen mir wieder viele interessante Bilder. Auf einigen Bildern waren Strukturen zu erkennen, auf denen man Wellenlängen ausmessen konnte. Die Wellenlängen waren drehzahlabhängig und wurden mit steigender Drehzahl kleiner. Das Produkt aus Wellenlänge und Drehzahl (Frequenz)  schien eine konstante Größe zu haben. Die Idee von Wellen drängte sich auf.  Aber Wellen bewegen sich. Sie breiten sich aus. Die Strukturen in der Kugel sind starr. Bewegungen sind nur selten zu beobachten und haben dann häufig ihre Ursachen in mechanischen Störungen in der Apparatur. Das Problem „Welle oder Nichtwelle“ habe ich so gelöst : Es sind Wellenstrukturen, die als Folge der Rotation entstehen. Sie  sind starre Raumstrukturen, deren Größe und Geometrie sich bei bestimmten Drehzahlen ändern. Diese Drehzahlen heißen Umschlagpunkte. Die Messung dieser Umschlagpunkte hat mich in den letzten vier Jahren intensiv beschäftigt. Dank der Hilfe durch meinen Schulfreund Joachim Bleck ist es mir gelungen, ausreichend genaue Messungen durchzuführen.

Rotierende fluide Systeme kommen in der Natur häufig vor. Fast alle Himmelskörper und Galaxien möglicherweise das gesamte, uns bekannte Universum können als rotierende fluide Systeme aufgefasst werden. Aus diesem Grund habe ich auch mit  Bildern von Planten  ausgewertet, die von der NASA (3) im Internet zu finden sind (3).

2. Die ungestörte Kugel

2.1 Messung der Umschlagpunkte

Eine Kugel soll als ungestört gelten, wenn Abweichungen von der idealen Geometrie, Öffnungen an der Oberfläche sowie innere Einbauten keinen merklichen Einfluss auf die Wellenstruktur in der Kugel haben.  Als Umschlagpunkte bezeichnet man die Drehzahlen, bei denen sich die Strukturen in der Kugel drehzahlbedingt ändern. Es wurde die Versuchsapparatur nach Bild 2 verwendet. Acrylkugeln verschiedener Größe wurden auf den oberen Ring eines Axiallagers gelegt,der durch einen Elektromotor über einen Flachriemen angetrieben wurde. Auf dem Ring befand sich eine geschlitzte Scheibe für die Drehzahlmessung. Die Apparatur diente zur Messung der Antriebsleistung und für die Beobachtung der Strukturen während der Rotation. Die Strukturen wurden durch Einspritzen von Tinte sichtbar gemacht.

Alle Bewegungen und Strukturumwandlungen im Fluid einer rotierenden Kugel müssen sich in der Änderung der Antriebsleistung für die Drehung der Kugel bemerkbar machen. Bei den älteren Versuchen wurde die Antriebsleistung Neff aus der Differenz der Motorleistung N Motor  und der im System vorhandenen Verlusten Nv bestimmt:  Neff = N( Motor) -   Nv. Wegen der Differenzbildung und der geringen Größe von Neff  wirken sich Messfehler stark aus. Man benötigt eine hohe Präzision und muss außerdem beachten, dass sich die Verlustleistung im Motor im Versuchsverlauf ändert. Die Reibungsverluste der Kugel mit der Umgebungsluft lassen sich nicht ermitteln und sind nicht berücksichtigt worden. Aus diesem Grund sind die Ergebnisse keine Absolutwerte. Sie sind aber geeignet, die Änderung der Messgröße ausreichend  richtig wiederzugeben. Für neue Versuche wurden die Antriebsmomente für die Kugel mit Hilfe einer Drehmomentenmeßeinrichtung gemessen. Als Torsionselement dienten Kupferdrähte. Damit konnten die Antriebsmomente bis zu einer Drehzahl von 6/min noch sicher gemessen werden. Als Maß für die Momente diente der Drehwinkel  des Torsionselements. Den Verlauf der Antriebsleistung in Abhängigkeit von der Drehzahl zeigt Bild 3. Die Strukturänderungen sind durch Peaks in der Kurve (Umschlagpunkte) deutlich abgebildet.




















Bild 3 Umschlagpunkte einer luftgefüllten Kugel  

 












Der größte Teil der Messungen erfolgte mit Luft als Medium. Für Wasser wurden gleiche Werte gemessen. Das für Luft und Wasser die gleichen Werte gemessen wurden, ist erstaunlich und macht die Natur dieser Wellen noch geheimnisvoller. Die Messergebnisse lassen sich in zwei Arten von Zahlenfolgen einsortieren (Tabelle 1):

1. Eine Hauptfolge  p=3^m               

2. Nebenfolgen  f=2n (Verdoppelungsfolge), wobei sich die Anfangsglieder durch die Hauptfolge p=3^m  ergeben. 

Der russische Geowissenschaftler W.Piotrowskij (4) hat im letzten Jahrhundert bei der Analyse der Oberflächenstrukturen der Erde herausgefunden, dass wichtige Maße sich in Zahlenfolgen anordnen lassen, die über den Faktor "3" verbunden sind. Damit ist die Hauptfolge entdeckt worden; und sie sollte nach ihm Piotrowskij-Folge benannt werden.
Tabelle 1 zeigt die Umschlagpunkte aus älteren und neuen Messungen ( Kugel 200 mm): 

 Tabelle 1  

Die Umschlagpunkte für andere Kugeldurchmesser lassen sich über das Verhältnis ihrer Durchmesser berechnen 




Das Produkt d*f=konst. hat die Einheit "m/s“.

Für die Kugel d=200 mm  erhält man aus den Versuchsergebnissen f=1/min=60Hz als Drehzahl, bei der sich die erste Wellenstruktur bildet und  d* f = 0,194 m/min = 3,23*10^-3m/s  ( Der genaue Kugeldurchmesser ist 0,19m ). Die Auswertung von Schwingungsdaten der Erde ergab =3,25*10^-3 m/s. Diese Größe  ist bei Wellen die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die Wellenstrukturen sind weitgehend starre Raumgebilde und breiten sich aber nicht aus. Aus disem Grund soll diese Größe Wellenprodukt  "W" genannt werden.                 

Der Beginn von Haupt- und Nebenfolge ist bei allen Kugeln die Drehzahl f((b), bei der sich die ersten Wellenstrukturen bilden. Die Wellenlänge ist zu Beginn der Kugeldurchmesser. Wir erhalten :f(b) =d*W      

f(b) soll Grundfrequenz heißen. f(b) ist identisch mit der Größe p in der Piotrowskij-Folge (Hauptfolge). Umschlagpunkte werden erreicht, wenn die Drehzahl das Doppelte oder das Dreifache von einer in der Kugel vorhandenen Frequenzen erreicht. Dann ändern sich die Wellenlängen der betreffenden Strukturen.

Die möglichen Wellenlängen lassen sich in dem folgenden Schema darstellen:

 










Die Wellenlängen in einer beliebigen Kugel ergeben sich durch Multiplikation mit dem Durchmesser. Unter Verwendung des Wellenprodukts kann man ein ähnliches Schema für die Frequenzen berechnen.

2.2. Der Umschlagvorgang

Der Umschlagvorgang lässt sich in der Kugel während der Drehung gut beobachten. Er dauert im Versuch 5 bis 10 Minuten und ist kein exakter Punkt sondern ein Drehzahlbereich, wie in Bild 3 gut zu sehen ist. Als Umschlagpunkt soll aus diesem Grund das Maximum in der Kurve bezeichnet werden. Während des Umschlagens kann man häufig Wellenelemente unterschiedlicher Wellenlängen nebeneinander finden (Bild 5). Offensichtlich haben nicht alle Wellenelemente die gleiche Energie. Die energiereichen Wellenelemente erreichen den für den Umschlag (Frequenzverdoppelung) notwendigen Energeibetrag schon bei einer geringeren Drehzahl als die enrgieärmeren. Die Energieverteilung auf die einzelnen Wellenelementen scheint einer Gaussverteilung zu folgen.

 




























Bild 4   Umschlagvorgang bei verschiedenen Drehzahlen


Bild 5   Wellenelemente mit verschiedenen Wellenlängen im oberen Bildteil. Die Hauptstruktur sind Elfen.

Wellenelemente :

Bie einem einzigen Einspritzvorgang entstehen sehr schnell die in den Bildern gezeigten Strukturen. Diese Strukturen sind zusammenhängende, räumliche Gebilde. Manche haben Bestandteile mit Wellencharakter und einer messbarer Wellenlängen. Das sind insbesondere sinusartige Strukturen.

 

 


Bild 6  sinusartige Wellenelemente

Bild 7  Strukturen, die möglicherweise Wellenelemente sind (unten)




Eine neue universelle Kraft

Der Kurvenverlauf für die Umschlagpunkte ( Bild 3) zeigt, dass während des Umschlags Arbeit verrichtet wird. Arbeit ist Kraft*Weg. Der Weg ist im Umschlagvorgang die Änderung der Wellenlänge. In den Wellenstrukturen gibt es dem zufolge eine Kraft, die beim Umschlagvorgang überwunden werden muss. Diese Kraft stabilisiert die Wellenstrukturen und muss in allen rotierenden, fluiden Systemen wirksam sein. Da man Wellenstrukturen auch in den Gasplaneten und der Sonne nachweisen kann, und weil fast alle (oder alle ?) kosmischen Systeme rotieren, hat diese Kraft universellen Charakter und ist möglicherweise das ,"was die Welt im Innersten zusammenhält" ( Goethe, Faust)

3. Strukturen bei verschiedenen Drehzahlen 

Die folgenden Bilder wurden aus unterschiedlichen Versuchsreihen zusammengestellt. Sie wurden durch Einspritzen von Tinte und anschließender Veränderung der Drehzahl erzeugt. Diese Methode ist sehr einfach, hat aber Nachteile:

  •  Es können niemals alle Strukturen gleichzeitig dargestellt werden.
  •  Sie ist nur begrenzt reproduzierbar, weil es schwierig ist, beim Einspritzen immer die gewünschte Position zu erreichen.
  •  Man erhält beim Hoch- und Herabregeln der Drehzahl unterschiedliche Strukturen.

Zylinderstrukturen

Zylinderstrukturen treten in der 200-mm-Kugel bei Drehzahlen über 3/min auf. Sie sind bis zu hohen Drehzahlen vorhandenund die Verdoppelungsfolge für die Drehzahl 3/min.

 




Bild 8  Zylinderstrukturen bei verschiedenen Drehzahlen

 










Bild 9 Änderung von Zylinderstrukturen bei Drehzahlabsenkung


Bild 9.1  Kugel 200 mm, Drehzahl 20/min

Diese Bild zeigt Zylinder mit Unterstrukturen. Es gibt 9 Ebenen parallel zum Äquator, die auch bei höheren Drehzahlen und sogar bei den Planeten nachweisbar sind. Parallel zur Drehachse findet man 18 Strukturen.










Elfen

Bis zu Drehzahlen von etwa 45/min findet man in der 200-mm-Kugel Strukturen, die ich wegen Ihres schönen Aussehens Elfen genannt habe.Bei größeren Kugeln sind sie nicht so stabil. Man findet sie an der Stelle, wo sich Zylinderstrukturen befinden müssten; aber beide Strukturen treten niemals gleichzeitig auf. Elfen sind zart, schön, geheimnisvoll und nur in der ungestörten Kugel zu beobachten.

Bild 10   Elfen bei verschiedenen Drehzahlen, Kugel 200mm


 



Bild 11  Gegenstruktur für Elfen



Vorstrukturen

Vorstrukturen treten im Bereich zwischen der Grundfrequenz und der Entstehung von Zylinderstrukturen auf.  Im Gegensatz zu den Erwartungen sind die Bilder der Vorstrukturen kompliziert. Obwohl es nicht sehr viele Frequenzen geben darf, scheinen sich mehrere Frequenzen zu überlagern        (Bild 12).

Bild 12  Vorstrukturen                                                                                                                              

Die Bilder wurden durch Herabregeln der Drehzahl erhalten. Dabei ist aber unsicher, ob sich die zu den Drehzahlen zu gehörigen Strukturen eingestellt haben, denn bei diesen Drehzahlen laufen alle Änderungen sehr langsam ab.


4.  Das Problem " oben und unten"

Bei allen Versuchen unterscheiden sich die Strukturen in beiden Kugelhälften wesentlich. Besonders deutlich zeigt sich das bei den Vorstrukturen und bei den als Elfen bezeichneten Strukturen. Sie sind immer von unten nach oben angeordnet. Man könnte die als Ursache  die Öffnungen oben und unten an der Kugel vermuten, weil diese als Störkörper wirken könnten. Das konnte durch folgenden Versuch widerlegt werden : In eine wassergefüllte Kugel wurde von oben Tinte eingespritzt und die Öffnung verschlossen. Anschließend wurde die Kugel um 90° gekippt, sodass die sich Öffnung an der Seite befand. Danach wurde die Kugel in Rotation versetzt. Es zeigten sich die schon bekannten Strukturen. Die Öffnungen an den Enden der Kugel erzeugen wegen ihrer geringen Größe  keine nachweisbare Störung. Die Ursache für die unterschiedlichen Strukturen in beiden Hälften der Kugel ist noch nicht bekannt.

Unterschiedliche Kugelhälften wurden auch bei den Versuchen mit der gestörten Kugel ( Pkt.5) festgestellt. Ein solcher Unterschied ist auch bei den Planeten Jupiter und Saturn (NASA) sowie bei der Erde zu finden

5. Stofftransport                                                                     .

Die Wellenstrukturen müssen Hohlkörper mit festen Wänden sein. Das sieht man sehr deutlich beim Einspritzen von Farblösung in die Kugel. Die Farbe verteilt sich innerhalb der getroffenen Struktur mit einer Geschwindigkeit von 0,1...1 m/s - drehzahlabhängig- und bildet diese sehr scharf ab. Bei Verformung der Strukturen infolge Drehzahländerung bleiben die Wände immer vollständig intakt, denn eine Vermischung des Farbstoffes in der Lösung unterbleibt immer. (Ausgenommen die unvermeidliche Diffusion.) Die schnelle Verteilung der Farbe beim Einspritzen beweist, das innerhalb der Strukturen Strömungen vorhanden sind. Diese Strömungen leisten einen wesentlichen Beitrag zum Energiebedarf der rotierenden Kugel, weil sie mit einer inneren Reibung verbunden sind. Ob eine Reibung an den Wänden stattfindet ist nicht geklärt. Diese Reibung führt aber nicht zur Zerstörung der Strukturen. Das ist nur möglich, wenn die Strömung laminar ist.

Die Wellenstrukturen üben auf das Fluid keine Kräfte aus. Sie geben die Form vor, die durch die Bewegung des Fluids ausgefüllt und sichtbar gemacht wird.


6. Versuche zur gestörten Kugel

Es wurden Versuche mit einem inneren Störkörper ( Kugel oder Zylinder) und einem äußeren Störkörper( Kolben mit Hals) durchgeführt.

Ergebnisse:

1. Die äußeren und inneren Störkörper erzeugen im Fluid eine zylindrische Störung- die Störzone.

2. Zwischen der Störzone und dem nicht gestörten Bereich gibt es eien Übergangszone, in der Drehstrukturen zu finden sind.

3. In der ungestörten Zone gelten die Gesetze der ungestörten Kugel.


Der Störkörper ist eine Kugel







Bild 13  Kugel 200 mm, Sörkörper 40 mm,  Drehzahl 15,2/min














Bild 14










Bild 15 Umschlag bei 18/min








Bild 16   Zylindrische Längststrukturen im Übergangsbereich






 

Zylindrischer Störkörper






 


Bild 17 zylindrischer Störkörper, Kugel 200 mm

Es besteht große Ähnlichkeit zum kugelförmigen Störkörper













6-Liter-Kugel mit Halsansatz

 Bild18  drehzahlabhängige Strukturen


Bild 19  Vorstrukturen











Bild 20  Verlagerung in vertikaler Richtung









Bild 21  Die Kugel wurde nur teilweise mit Wasser gefüllt. Durch die Drehung entstand in der Mitte ein Hohlzylinder mit der Wirkung eines Störkörpers. Der Wasserteil ist hier die ungestörte Zone mit den typischen Strukturen.










6. Maßstabsübertragung

Für die Maßstabsübertragung  für rotierende Körper hat sich in der Apparatetechnik ein Reibungsbeiwert  C p

C p  = N/ n 3  * ρ*d 5        ( 1)             N=Leistung ; n=Drehzahl ; d=Durchmesser; ρ= Dichte

bewährt,  der von  der Reynoldszahl  Re

 Re=n*d 2/ ν   ( 2 )                    ν= kinematische Zähigkeit

abhängt. Die grafische Darstellung dieser Abhängigkeit in einem Diagramm, dessen Achsen logarithmisch geteilt sind, erlaubt Rückschlüsse auf die Strömung im Bereich des rotierenden Körpers. Wenn der Kurvenverlauf der Funktion

·         Cp= C/Re   folgt,  ist die Strömung laminar.  C ist eine aus dem Kurvenverlauf bestimmbare  Konstante.

·         C p =a/Reexp b     Es liegt Wirbelströmung vor. Die Größen a und b ergeben sich aus dem Kurvenverlauf.

·         C p  = Konstant     Die Strömung ist turbulent. C p  ist nicht mehr von Re abhängig.














Bild 22    Reibungsbeiwert  in Abhängigkeit von  der  Reynoldszahl  / logarithmische Achsenteilung

In Bild 1 ist der Verlauf Cp  =f (Re) aus Messwerten für eine Kugel d=0,283m dargestellt. Die Werte für Luft und Wasser liegen auf einer gemeinsamen Kurve für die eine Abhängigkeit

C p =6,4*10^11/Re 3,05    bestimmt. Die Werte für die Umschlagpunkte werden von dieser Beziehung nicht wiedergegeben.

Diese Beziehung zeigt Wirbelströmung an. Wirbelströmung nicht in der Kugel sondern in den Wellenräumen! Korrekterweise müsste man für die Größe „d“ anstelle des Kugeldurchmessers den äquivalenten Durchmesser der Wellenräume angeben. Weil dieser nicht bekannt ist, muss man den Kugeldurchmesser als Notlösung akzeptieren. Der Kurvenverlauf ist nicht stetig. Im Bereich von Re=1100 bis 4000 und 9000 bis 13000 ist der Kurvenzug seitlich versetzt. Möglicherweise entstehen in diesen Bereichen neue Oberschwingungen, was noch zu beweisen ist.  

Der Bereich der turbulenten Strömung wird erst bei Reynoldszahlen über 80000 erreicht (Bild 2). Hier wurde wegen der besseren Sichtbarkeit auf den logarithmischen Maßstab verzichtet. Der Übergang zur Turbulenz vollzieht sich analog zu rotierenden Scheiben mit Instabilitäten über einen längeren Bereich. Der Cp –Wert ist hier noch zu messen.








Bild  23  Reibungsbeiwert in Abhängigkeit von der Reynoldszahl 




Wenn man für eine beliebige Kugel die Reynoldszahl berechnen kann, ist es möglich, den Cp-Wert und den Leistungsbedarf zu berechnen.

Der Versuch, unter Verwendung des letzten Wertes für Cp aus Bild 2 für die Erde den Energiebedarf zu berechnen, führt zu unrealen Ergebnissen. Der turbulente Bereich ist im Bild 2 noch nicht erreicht. Die Erde befindet sich wegen ihrer Größe mit Sicherheit im turbulenten Bereich.

7. Die Oberflächengestalt von Planeten

Die Gasplaneten haben keine feste Oberfläche. Sie bieten damit Bedingungen, die sich im Versuch nur sehr schwer realisieren lassen. Die Bilder von den Oberflächen der Gasplaneten zeigen eine gute Übereinstimmung zu den Experimenten. Das Vorhandensein einer festen Oberfläche hat also auf die Strukturen innerhalb einer rotierenden Kugel keinen oder nur einen geringen Einfluss. Alle Planeten haben feste Kerne. Damit gelten die Gesetzmäßigkeiten der gestörten Kugel.

Bei den Gasplaneten findet man ausgeprägte Streifenstrukturen. Auch die obere und die untere Kugelhälfte haben analog zu den Versuchen ein deutlich unterschiedliches Aussehen.

Von der NASA/ Photojournal/Internet wird ein umfangreiches Bildmaterial veröffentlicht. Das Ausmessen der Strukturen auf diesen Bildern ergibt eine ist auf Tabelle 3 zu finden.

Tabelle 3 Gemessenen und berechnete Wellenebenen (Sehnenlängen) 

Die gemessenen und die berechneten Werte für die Sehnenlänge stimmen bemerkenswert gut überein. Die für die ungestörte Kugel gefundenen Gesetzmäßigkeiten gelten auch für die Kugeln mit Störkörper im Bereich außerhalb der Störungszone.   

Als Ursache für die Bildung der Streifen werden in der Fachwelt thermische Konvektionsströme angenommen. Dem steht entgegen, dass

  • Konvektionsströme im Maßstab der Planeten immer zu Turbulenz führen müssen und ein dauerhaftes  Streifenmuster verhindern würden.
  • Dass Streifenmuster wird im Versuch mit einer rotierenden Kugel unter isothermen Bedingungen erzeugt. Temperaturgradienten  sind dem zufolge nicht erforderlich.

Jupiter

Zwischen den Streifen sind bei Jupiter und Saturn wirbelbehaftete Strömungen vorhanden, deren Geschwindigkeit mehrere Hundert km/h betragen soll. Diese Strömungen sind bei der Erde die Ursache der Kontinentalverschiebung. Die Bewegungsrichtung benachbarter Streifen kann gegensinnig sein (Jupiter NASA PIAO 9242, 3454, 3453, 3452, 2863 und weitere). Die Ursache ist wahrscheinlich der stroboskopische Effekt bei der Aufnahme, der anzeigt, dass sich beide Strukturen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Stark unterschiedliche Geschwindigkeiten sind auch auf PIAO 3453, 2863, 2855 zu sehen , wobei die Zonen in der Nähe des Äquators eine deutlich höhere Rotationsgeschwindigkeit aufweisen als die in Polnähe befindlichen. Unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten wurden auch im Experiment festgestellt. Geschwindigkeitsunterschiede sind ohne Wirbelbildung  nur möglich, weil die Grenzen der Schwingungsstrukturen für den Stofftransport und Impulsübertragung undurchlässig „ hart „sind und die Reibung stark einschränken.

Saturn

Auch das  magische Sechseck  am Südpol des Saturn ( NASA PIA 17653,17652) kann durch Strömungsvorgänge nicht entstanden sein und bei der Anwesenheit von Reibung für längere Zeit nicht stabil existieren. Es könnte durch den Störkörper verursacht sein.

Zwischen den Hauptstrukturen sind bei Jupiter und Saturn weitere Querstreifen zu sehen, die zeigen, das die im Experiment gefundene Teilung der Kugeloberfläche mit einem Rastermaß von 0,05D zu grob ist.

Ein Sonderfall sind die Fleckenstrukturen, die auf allen Gasplaneten zu beobachten 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
  • ortsstabil und langlebig

Im Gegensatz dazu sind Tief- und Hochdruckgebiete in unserer Atmosphäre kurzlebig und mobil. Sie haben keine scharfen Grenzen. Es liegt nahe, die Flecken zu den Wellenstrukturen zu rechnen. Dagegen sprechen aber ihre ungleichmäßige Verteilung auf der Oberfläche sowie ihre unterschiedliche Größe. Von Wellensmustern erwartet man Harmonie und Symmetrie. Oder gibt es auch eine Turbulenz der Wellen ?

 

8.  Die Erdatmosphäre

Die Erdatmosphäre ist eine rotierende Gaskugel mit der Erde als Störkörper. Der größte Teil der Erdatmosphäre ist eine Störzone. Die ungestörte Zone befindet sich zu beiden Seiten des Äquators.

Experimentell lassen sich die notwendigen Bedingungen nicht simulieren, weil die Dichte der Lufthülle nach oben abnimmt und das Verhältnis der Dicke der Lufthülle zum Erdradius im Versuchsaufbau nicht realisierbar ist. Die nachstehend beschriebenen Versuche können nur grobe Anhaltspunkte für die Verhältnisse in der Atmosphäre liefern.

Es wurde eine Kugel d=196 mm mit einer Innenkugel d=180 mm verwendet. Diese Durchmesserverhältnis entspricht nicht den Bedingungen der Erdatmosphäre. Die Bedingungen der Erdatmosphäre sind im Versuch nicht realisierbar.

Das Medium im Versuch war Wasser. Für die Visualisierung der Strukturen wurden suspendierte Feststoffe und Tinte verwendet. Das Einspritzen der Tinte war sehr schwierig, weil der Spalt zwischen den Kugeln sehr eng war, und das Einspritzen bei laufender Kugel geschehen musste. 






















Bild 24 


Innere Strukturen sind bei Drehzahlen bis etwa 100/min zu erkennen.

Ab 125 /min sind Schwingungsebenen zu sehen, die einen Abstand von d/3 haben und den Windgürteln in der Atmosphäre entsprechen. Diese Strukturen sind besonders bemerkenswert, weil sie in der Störzone auftreten. Die ungestörte Zone in der Erdatmosphäre fällt mit der äquatorialen Kalmenzone zusammen.

Für die Atmosphärenforschung ergibt sich eine Neuigkeite: Die Windgürtel sind Wellenstrukturen.                                      

In der Erdatmosphäre gibt es weitere wesentliche Störungen, die das Muster der Wellenstrukturen in der Troposphäre beeinflussen. Es sind die Gebirge und die thermische Konvektion. In den darüber befindlichen Bereichen der Stratosphäre sollten die Wellenstrukturen dominierend sein. Es gibt aber noch ein Problem : Die Dichte der Atmosphäre nimmt mit zunehmender Höhe ab. Bis zu welcher Dicht darf man noch von einem fluiden Medium sprechen ? Wellenstrukturen ohne fluides Medium sind schwer vorstellbar.

                                                                                                                                                                                                                                     

5. Die Sonne       

Bei der Sonne müssen die Gesetzmäßigkeiten für die rotierende Kugel auch gelten, obwohl Plasmaeffekte einen spürbaren Einfluss haben. So sind die Sonnenflecken in der Regel auf Linien parallel zum Sonnenäquator angeordnet (Bild 30). Weitere Bilder NASA Photojournal(PIAO 9320, 9324, 3149, 3150).  




Bild 25 ( Fotos Hans Wolf)                                                                                                     


Helioseismologen haben bei Messungen stehende Wellen nachgewiesen und über eine Modellrechnung die bekannten Streifenstrukturen auf der Sonnenoberfläche erhalten./7/


Literatur

(1)Taylor G.I.; Phil. Trans.R. Soc. 1923 A 223, 289-343                                                                                          

(2) Witting H. Inst. f.angew. Mathe.und Mech. ,Freiburg 1958                                                                            

(3) Planetary Photojournal ,NASA ,Internet          

(4) Drujanow  Rätselhafte Biographie der Erde Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1984
(6) www. .columbia.edu Photojournal                                                               

(7) R.Karsthof , Helioseismologie, Vortrag ,PDF, Internet                                                                                                       (9)