Ein Team von Mathematikern der University of North Carolina in Chapel Hill und der Brown University hat ein neues Phänomen entdeckt, das eine Strömungskraft erzeugt, die in der Lage ist, in dichte Schichten eingetauchte Partikel zu bewegen und zu binden.

Dies bedeutet beispielsweise, dass man nun ein neues Kapitel im Verstehen von CO2-Kreislauf aufschlagen kann, ja muss. Bisher hatte man die größte Kohlebstiffsenke des Planeten – das Meer – nicht verstanden.

Der Durchbruch bietet eine Alternative zu den bisherigen Annahmen darüber, wie sich Partikel in Seen und Ozeanen anreichern, und könnte zu Anwendungen bei der Lokalisierung biologischer Hotspots, der Reinigung der Umwelt und sogar beim Sortieren und Verpacken führen.

Wie sich Materie unter der Schwerkraft in fluiden Systemen wie Seen und Ozeanen ablagert und anlagert, ist ein breites und wichtiges wissenschaftliches Forschungsgebiet, das die Menschheit und den Planeten stark beeinflusst.

Kohlenstoffsenke verstehen

Man denke nur an den “Meeresschnee”, den Schauer organischer Materie, der ständig aus den oberen Gewässern in die Tiefe fällt. Der nährstoffreiche Meeresschnee ist nicht nur für die globale Nahrungskette essentiell, sondern seine Anreicherung in salzigen Tiefe stellt die größte Kohlenstoffsenke der Erde und eine der am wenigsten verstandenen Komponenten des Kohlenstoffkreislaufs des Planeten dar.

Die Anhäufung von Ozeanteilchen wird seit langem als das Ergebnis von zufälligen Kollisionen und Adhäsion verstanden. Aber ein ganz anderes und unerwartetes Phänomen ist in der Wassersäule am Werk, wie ein Team unter der Leitung der Professoren Richard McLaughlin und Roberto Camassa vom Carolina Center for Interdisciplinary Applied Mathematics am College of Arts & Sciences zusammen mit ihrem UNC-Chapel Hill-Absolventen Robert Hunt und Dan Harris von der School of Engineering an der Brown University in Nature Communications am 20. Dezember veröffentlichte.

In der Arbeit zeigen die Forscher, dass Partikel, die in Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte, wie z.B. Meerwasser mit unterschiedlichen Salzgehaltsschichten, suspendiert sind, zwei bisher unentdeckte Verhaltensweisen zeigen.

Zum einen sammeln sich die Partikel selbstständig ohne elektrostatische oder magnetische Anziehung oder, im Falle von Mikroorganismen, ohne Antriebsvorrichtungen wie das Schlagen von Flagellen oder Zilien. Zum anderen verklumpen sie, ohne dass Klebstoff oder andere Bindungskräfte erforderlich sind. Je größer der Cluster, desto stärker ist die Anziehungskraft.

Alles begannt mit einem verpatzen Experiment

Wie so viele Entdeckungen begann auch diese zufällig vor ein paar Jahren während einer Demonstration für VIPs, die das Joint Applied Mathematics and Marine Sciences Fluids Lab besuchten, das Camassa und McLaughlin betreiben.

Das Paar, das lange Zeit von geschichteten Flüssigkeiten fasziniert war, wollte einen beliebten Salontrick zeigen – wie Kugeln, die in einen Salzwassertank gekippt werden, auf ihrem Weg zum Boden “hüpfen”, solange die Flüssigkeit gleichmäßig nach ihrer Dichte geschichtet ist. Aber der für das Experiment verantwortliche Doktorand machte einen Fehler, als er die Dichte der unteren Flüssigkeit einstellte. Die Kugeln hüpften und hingen dann dort, tauchten unter, sanken aber nicht auf den Boden.

Und dann traf ich die gute Entscheidung“, sagte McLaughlin, “das Chaos nicht aufzuräumen.” “Geh nach Hause“, sagte er dem Studenten. “Wir kümmern uns später darum.” Am nächsten Morgen hingen die Bälle immer noch in der Schwebe, aber sie hatten begonnen, sich zu sammeln – sich ohne ersichtlichen Grund selbst zu sammeln.

Die Forscher entdeckten schließlich den Grund, obwohl es mehr als zwei Jahre an experimentellen Studien und viel Mathematik brauchte.

Sie können das Phänomen in einem von den Forschern produzierten Video bei der Arbeit sehen. Plastik-Mikroperlen, die in einen Behälter mit Salzwasser fallen, der mit weniger dichtem Süßwasser bedeckt ist, werden durch die Schwerkraft nach unten gezogen und durch Auftrieb nach oben geschoben.

Während sie schwebend hängen, erzeugt das Zusammenspiel von Auftrieb und Diffusion – die den Konzentrationsgradienten des Salzes ausgleichen – Strömungen um die Mikroperlen herum, wodurch sie sich langsam bewegen. Anstatt sich zufällig zu bewegen, verklumpen sie jedoch und lösen ihre eigenen puzzleähnlichen Puzzles. Während die Cluster wachsen, nimmt die Flüssigkeitskraft zu.

Es ist fast so, als hätten wir eine effektive neue Kraft entdeckt“, sagte Camassa.

Die Entdeckung dieses bisher unbekannten Mechanismus öffnet die Türen zum Verständnis der Organisation der Materie in der Umwelt.

In stark geschichteten Gewässern wie Flussmündungen und der Tiefsee kann das mathematische Verständnis des Phänomens es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Lage biologischer Hotspots zu modellieren und vorherzusagen, einschließlich der Nahrungsgründe für kommerzielle Fische oder gefährdete Arten.

Die Nutzung der Kraft dieses Phänomens könnte auch zu besseren Möglichkeiten führen, Mikroplastik im Ozean oder sogar Erdöl aus der Tiefsee zu lokalisieren. Oder, in einer industriellen Version des Fluids Lab-Experiments, könnte der Mechanismus genutzt werden, um Materialien unterschiedlicher Dichte zu sortieren, zum Beispiel verschiedene Farben von zerkleinertem, wiederverwertbarem Glas.

Wir arbeiten seit Jahren mit geschichteten Systemen, wobei wir in der Regel schauen, wie das Material durch sie hindurch fällt“, sagt McLaughlin. “Das ist eines der aufregendsten Dinge, denen ich in meiner Karriere begegnet bin.”

Pressrelease: University of North Carolina at Chapel Hill