Wirbel als Grundprinzip der Bewegung von Wasser

 

 

 

 

Begrifflichkeit

Obwohl Wasser allgegenwärtig ist stößt man in der Begrifflichkeit häufig auf merkwürdige Unschärfen. So wie im gesamten europäischen Sprachraum beispielsweise die Unterscheidung zwischen Quelle und Brunnen verschwimmt so werden beim dynamischen Bewegungsablauf von Wasser die Worte Wirbel und Strudel häufig bedeutungsgleich gebraucht.

In der Strömungslehre versteht man unter Wirbel eine sich spiralförmig um eine gerade oder geschwungene Drehachse kreisende Strömung. Mathematisch ist der Begriff des Wirbels nicht präzise formuliert, sondern eher beschrieben. Danach ist in Fluiden mit niedriger Viskosität (Luft und Wasser) die Fließgeschwindigkeit im Zentrum am größten und nimmt umgekehrt proportional zum Abstand vom Zentrum ab. Umgekehrt ist der Druck im Zentrum am niedrigsten.

Wirbel neigen dazu, ausgedehnte Wirbelröhren auszubilden, die sich mit der Strömung mitbewegen, sich winden, biegen und strecken können. Im Zusammenhang mit Wasser wird bei Ausbildung einer solchen trichterförmigen Vertiefung häufig auch das Wort Strudel verwendet. Der Begriff ist an eine dritte Raumdimension gebunden, an den Sog nach unten. Ein Strudel mit starker Gegenströmung wird in Norddeutschland auch Neer genannt.

Im Folgenden wird der Einfachheit halber der häufiger verwendet Begriff des Wirbels auch dann verwendet, wenn es sich bei den beschriebenen Phänomenen tatsächlich eigentlich um Strudel handelt

Im Gegensatz zum Wirbel entstehen Wasserwalzen durch Höhengefälle oder Wasserdruck, verbunden mit starkem Rückströmen des Wassers.

www.explore-it.org/de/91-der-dreh-zum-strom/und-mehr/870-wie-wirbelt-die-natur

 

Wie beim Wirbel handelt es sich auch bei der Walze um einen Drehimpuls der durch das Ausgleichsbestreben sich selbst überlassener Fluide bedingt ist. Allerdings spielt sich das Phänomen Walze weitgehend an der Wasseroberfläche ab während der Wirbel mit seiner Röhre in die Tiefe greift. In der Natur kommen Wirbel und Walze bei strömendem Wasser häufig in direkter Nachbarschaft vor, beispielsweise bei der Gumpe die ein Wasserfall in seiner Prallzone ausbildet.

 

Vorkommen von Wirbeln

Die Bildung von Wirbeln ist ein physikalisches Grundprinzip das vermutlich die Bewegungsabläufe im gesamten Kosmos beeinflusst. So etwa besitzen die Gaswirbel die sich durch die Stürme auf dem Jupiter bilden große Ähnlichkeit mit den Meeresströmungen auf der Erde. In beiden Fällen handelt es sich um Fluide die sich auf einem rotierenden Körper bewegen.

 

Parallele Wirbel auf dem Jupiter und in der Ostsee. © NASA/SwRI/MSSS, USGS/Landsat.

 

Das Bild auf der linken Seite zeigt die Wirbelmuster von ammoniakreichen Wolken in der äußeren Atmosphärenschicht des Jupiters. Die Aufnahme auf der rechten Seite stammt vom Landsat-Satelliten und zeigt einen Teil der Ostsee. Das grüne Phytoplankton macht hier den Verlauf eines Strömungswirbels im Meer sichtbar.

 

Wirbel können entweder einzeln auftreten oder als eine Kombination aus laminaren, glatten Strömungen und Turbulenzen, die komplexe Wirbelmuster erzeugen. Die turbulente Strömung ist ein dreidimensionales Feld in dem sich Wirbel unterschiedlichster Größe und Dynamik vereinen. In einem Wirbelsturm von mehreren Kilometern Größe sind beispielsweise auch Wirbel von weniger als einem Millimeter Durchmesser ausgebildet. In reiner Form liegen nur sehr kleine Wirbel vor. Mit zunehmender Größe nimmt die Tendenz zur Ausbildung von Turbulenzen zu - auch dann, wenn es sich um einen weitgehend "stationären" Wirbel handelt.

 

Sturm am Nordpol des Saturn als Einzelwirbel mit Turbulenzen, aufgenommen von der Raumsonde Cassini, November 2012. (Bild: JPL-Caltech / NASA)

 

Die Herausforderungen für Mathematik, Naturwissenschaft und Technik besteht in der ungeordneten und schwer vorhersagbaren raumzeitlichen Struktur, die in höchster Weise von den Anfangs- und Randbedingungen abhängig ist. Vermutlich stehen auch hinter Turbulenzen klare Gesetzmäßigkeiten die keinen Raum für "Zufälle" lassen. Angesichts ihrer hohen Komplexität werden Turbulenzen allerdings als chaotische Bewegung eingeordnet.

 

Turbulenz, de.wikipedia.org/wiki/Turbulente_Strömung

 

Der Ingenieur und anthroposophische Wasserforscher Theodor Schwenk untersuchte in seinem spannenden Buch "das sensible Chaos" dies "Strömende Formenschaffen" von Wasser und Luft, das noch heute eines der großen ungelösten Probleme ist - auch wenn immer wieder einzelne Erkenntnisse gewonnen werden. So haben Wissenschaftler des Zentrums für Windenergieforschung im Jahr 2010 herausgefunden, dass Turbulenzen neben Fraktalen anscheinend noch andere Ordnungsprinzipien aufweisen und dass es unterschiedliche Arten von Turbulenzen gibt.

Zu erkennen sind Wirbel in fluiden und gasförmigen Stoffen häufig erst, wenn sie sichtbar gemacht werden.

 

commons.wikimedia.org/wiki/File:Airplane_vortex_edit.jpg

 

Als Wetterphänomen werden sie dann sichtbar, wenn sie große Mengen an Wasserdampf und Partikeln mit sich führen. Viele Bilder und Erkenntnisse sind in den letzten Jahrzehnten durch Satelliten möglich geworden. 

de.wikipedia.org/wiki/Hurrikan_Rita          Wirbel von oben	wetteronline.de/fotostrecken/staerkste-tornados-in-deutschland-201905-22-ts                                                 Wirbelkanal eines Tornados

 

                          In der Natur lässt sich die Wirbelbildung am häufigsten bei Wasser beobachten. Große Wirbel entwickeln sich häufig, wenn Fließgewässer Hochwasser führen. Sind sie über längere Zeit ortstreu und stabil so können sie durch ihre erodierende Kraft große Schäden anrichten.

 

Abbruchkante in Erftstadt-Blessem mit erkennbarer Wirbelbildung. Hochwasserkatastrophe im Juli 2021

 

Durch abfließendes Wasser eines Tsunamis bildete sich vor der Stadt Oarai im März 2016 ein riesiger Strudel im Meer. (Foto: Reuters)

 

Kleinere Wirbel begegnen einem praktisch immer und überall wo Wasser ist. Oft nimmt man sie gar nicht wahr oder sie sind so klein, dass sie mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen sind.

 

Durch ein Gitter wirbelnd ablaufendes Wasser mit Tubulenzen

 

 

 

Meereswirbel und Strömungen

 

Im Gegensatz zu Meeresströmungen, die spätestens seit dem Jahr 1500 bekannt sind, als der portugiesische Seefahrer Pedro Alvares Cabral auf Höhe der Kapverdischen Inseln mit seinen Schiffen von einer starken Meeresströmung abgetrieben wurde, entdeckte man die Wirbelbildung im Meer wesentlich erst im 20. Jahrhundert. Durch Satellitenaufnahmen sind sie zunehmend bekannt geworden und ins Zentrum des wissenschaftlichen Interesses gerückt.

Satellitenbilder und neue Möglichkeiten der Vermessung verhelfen der Forschung zu immer neuen Erkenntnissen über Meeresströmungen und Makrowirbel. Es lassen sich beispielsweise jährliche und jahreszeitliche Veränderungen in Strömungsmustern und Wirbelbildungen verfolgen was die Forscher in die Lage versetzt, deren Zusammenhang mit Abläufen des Wetters oder mit biologischen Rhythmen besser zu verstehen.

 

Auf Karten der Meeresoberflächentemperatur sind Wirbel deutlich zu erkennen. SST-Karte des MODIS-Instruments auf dem Satellit Aqua der NASA mit Mäandern und Wirbeln in der Golfstromregion.

 

Dabei wurde erkannt, dass windgetriebene Oberflächenströmungen eng mit der Ausbildung von Wirbeln in Zusammenhang stehen. Vor allem in den Subtropen bilden sich gewaltige Meereswirbel aus, deren Randströmungen auf der westlichen Seite des Ozeans warm und schnell und auf der östlichen Seite kalt und langsam sind.

 

Windgetriebenen Strömungen weltweit. Quelle: NOC

 

Das globale Strömungsmuster als Ergebnis des Zusammenwirkens von Wind, Erdrotation, Form des Meeresbeckens und Wirbelbildung ist in seinen Details ständigen Änderungen unterworfen. Seine Makrostrukturen ändern sich hingegen vergleichsweise langsam wie in den letzten Jahren und Jahrzehnten etwa an der Aktivität des Golfstroms beobachtet wird. Irgendwann ist dann allerdings ein Punkt erreicht an dem die alte Ordnung "kippt" und sich neue Strukturen, Strömungen und Wirbel herausbilden. Für das Klima und Wetter sowie für alles Leben im und am Meer hat das gravierende Folgen.

In vielen Regionen der Erde, etwa die Westküsten des amerikanischen Kontinents, nehmen die Küstenwinde seit Jahrzehnten zu und mit ihnen verstärken sich auch die windgetriebenen Strömungen. Als Ursache wird die Erderwärmung angenommen. Das mag für die Fischereiwirtschaft zwar vorteilhaft sein, da mehr Nährstoffe und sauerstoffreiches Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche gelangen und dort die Planktonbildung anregen. Die Frage, welche Auswirkungen diese stärkeren Winde auf Meeresströmungen und Wirbelbildung und damit auf das Klima haben, ist schon heute ein Schwerpunkt der Meeres- und Wetterkunde und dürfte künftig noch mehr Bedeutung erlangen.

 

 

Wirbel in Seen und Flüssen

 

Die Stärke der Wirbel- und Strudelbildung bei Fließgewässern hängt wesentlich vom Wasserdruck ab und davon, welche Hindernisse sich dem Wasser entgegenstellen. Letzteres bestimmt vor allem den Ort an dem sich der Wirbel ausbildet, seine Form und die Richtung in der er rotiert. Da Gebirgsbäche häufig große Höhen überwinden und dabei durch ihre felsige Umgebung eingeengt sind treten hier am häufigsten Strudel auf, die im Lauf der Zeit sog. Gumpen in das Gestein mahlen.

 

Auswaschungen von Strudeln in Kalkgestein. Torrente Meduna, Oberitalien.

 

Je breiter das Bett eines Flusses ist umso weniger neigt er zur Ausbildung großer Wirbel. Bei entsprechend großem Gefälle werden Welle und die Walze die dominierenden Bewegungsmuster.

 

Fluss Luonosjakha, Norwegen Polarkreis

 

Führen Flüsse mit geringem Gefälle Hochwasser so verstärken sie durch den erhöhten Fließdruck ihre Neigung zur Ausbildung großer Wirbel. Das Wasser "verweilt" in diesen Wirbeln und die Ablaufgeschwindigkeit wird dadurch verlangsamt. Findige Flussbauer nutzen das Prinzip in dem sie durch das Setzen großer Steine künstlich Wirbelstrecken erzeugen, damit die Ablaufgeschwindigkeit verlangsamen und die Hochwassersituation an den Unterläufen günstig beeinflussen. Zudem brauchen nicht nur Kanuten, sondern auch viele Tiere die Vielfalt aus kleineren Wirbeln, Ruhezonen und Kehrwässern, wie sie für das Fließverhalten naturbelassener Gebirgsbäche und -flüsse typisch ist. Die meisten Flussbauer und selbst viele Fachleute für Gewässerrenaturierung haben den Wert des Wirbels anscheinend aber noch nicht erkannt.  

 

Gegenläufige Wirbel in einem Hochwasser führenden Fluss zerstören einen Bahndamm: http://bilder.4ever.euanderestrudelwasser-170806

 

Eine weitere Art sind sog. "gründige" Wirbel an Flüssen und Seen. Sie entstehen beispielsweise am Grundablass von Staumauern und Talsperren wenn Wasser durch Engstellen abläuft und können dabei in einem weiteren Umfeld starke Strömungen erzeugen die - anders als der Wirbel selbst - kaum sichtbar sind. Ähnlich wie Wasserwalzen bilden sie für Schwimmer und Schlauchbootkapitäne deshalb eine oft unterschätzte Gefahr.

 

Wirbelbildung vor einem kleinen Elektrowerk

 

Bekannt sind gründige Wirbel auch aus Karstgebieten, wo das Wasser durch Vertiefungen und Öffnungen aus Flussbetten oder vom Seegrund in unterirdische Hohlräume abfließt. Da die Grundwasserreservoirs ihr Wasser meistens aber nur langsam abgeben ist das Potential geringer als bei flussbaulichen Eingriffen und die Wirbel rotieren langsamer.

 

Gegenläufige gründige Wirbel an einem Bach im Karstgebiet von Tuhala, Estland

 

An Estavellen die gleichzeitig als Schwinde und Quelle fungieren, entstehen Wirbel nur dann, wenn das Wasser abfließt und in eine rotierende Bewegung gerät. Tritt es hingegen bei hohen Grundwasserständen unter Druck wieder an die Oberfläche so kann sich an der Austrittsstelle eine kleine Wassersäule bilden.

In jüngerer Zeit wurden Riesenwirbel nicht nur im Meer sondern auch an großen Seen entdeckt.

 

Wirbel am Skutarisee an der Grenze zwischen Montenegro und Albanien, aufgenommen von der Internationale Raumstation (ISS) © NASA

 

Im September 2020 gelangen Marko Hollerer, Pilot des in Friedrichshafen stationierten Zeppelin NT, solche Aufnahmen auch vom Bodensee, wo sich nahe der Gemeinde Eriskirch ein gewaltiger Wasserwirbel entwickelt hatte. Trotz zahlreicher Überflüge war bis dato noch nie beobachtet worden, dass Seeschlamm und Schlick in dieser Weise "aufgewirbelt" worden waren.

 

 

Manch ein Esoteriker erblickt in den vielen neuen Wirbeln den Beginn einer "Neuen Zeit", oder gar eine Rückversetzung der Erdmatrix in ihren Urzustand. Wahrscheinlich sind sie aber lediglich das Ergebnis von immer zahlreicheren und besseren Luftaufnahmen und Vermessungen, die wir an unserem Planeten vornehmen.

 

 

Makrowirbel im Ozean und Klima

 

Dass Meeresströmungen wie etwa der Golfstrom das Klima gravierend beeinflussen ist bereits seit langem bekannt. Die Auswirkungen von Wirbeln im Ozean (verlinken mit seos-project.eu/oceancurrents/oceancurrents-c06-p04.de.html) werden erst in jüngerer Zeit erkannt und erforscht. Diese kreisförmigen oder elliptischen Gebilde können mit Messverfahren wie Altimeter oder Thermografie heute immer besser identifiziert werden. Sie haben Ausdehnungen von einigen Duzend bis zu mehreren hundert Kilometern. Auffällig ist, dass die Wirbel vor allem in den südlichen Ozeanen unserer Erde zuzunehmen scheinen. Dadurch wird immer mehr warmes und salziges Wasser von Süden nach Norden transportiert.

 

Riesenwirbel vor Südafrika © NASA, GSFC Scientific Visualization Studio (Ausschnitt)

 

Der mit am besten erforschte Riesenwirbel ist der gewaltige "Great Whirl" vor Ostafrika. Er wurde schon 1866 von dem englischen Geographen Alexander Findlay entdeckt und kreist jedes Jahr wieder im Uhrzeigersinn auf einer Fläche von rund 275.000 Km². Satellitendaten aus den Jahren 1993 bis 2015 zeigen, dass er sich im April zu bilden beginnt, wenn die vorherrschende Windrichtung im Indischen Ozean von West auf Ost umschwenkt. Seine größte Ausdehnung erreicht er mit einem Durchmesser von etwa 500 Kilometern von Juni bis September. Seine Wassermassen wölben sich im Zentrum dann nach oben und er reicht an manchen Stellen über einen Kilometer weit in die Tiefe. Wie stark er ausgeprägt ist und wie lange der stabil bleibt unterscheidet sich von Jahr zu Jahr. Seinen längsten Zyklus erreichte er im Jahr 1997 mit 256 Tage, wobei er sich gegen Ende deutlich abschwächt. Mit Hilfe der über den Great Whirl gewonnen Daten erhofft man sich, bessere Vorhersagen zum Monsun machen zu können, den er nennenswert mit beeinflusst.

In jüngerer Zeit konnten Forschern der ETH Zürich nachweisen, dass auch kleinere Meereswirbel das Klima beeinflussen indem sie sich auf Windgeschwindigkeiten, Wolkenbedeckung und Niederschlagsmuster auswirken.

 

Meereswirbel sehr unterschiedlicher Größe © NASA / SVS (Ausschnitt)

 

Dazu haben sie Satellitendaten von über 600 000 Wirbeln aus den Jahren 2002 bis 2009 analysiert. "Die Wirbel verraten sich durch ihre je nach Herkunft höhere oder geringere Dichte im Vergleich zum umgebenden Oberflächenwasser. Sie entstehen aus Turbulenzen in den Meeresströmungen und wandern mit diesen oder auch losgelöst für eine begrenzte Zeit durch die Weltmeere. Wirbel aus wärmerem Wasser drehen sich im Südpolarmeer gegen den Uhrzeigersinn, solche aus kälteren Regionen mit der Uhr.

Aus den Daten errechneten Frenger und ihre Kollegen einen "Durchschnittseddy": Sein Zentrum hat einen Durchmesser von 40 Kilometern, er bewegt sich in der Woche um mehr als 20 Kilometer vorwärts und ist etwa ein halbes Grad kälter beziehungsweise wärmer als seine Umgebung. Die Wissenschaftler fanden in ihrer Untersuchung etwa gleich viele Wirbel jeder Drehrichtung – insgesamt gesehen sollte sich ihr Einfluss also in etwa aufheben.

Lokal gesehen, hatten die Wirbel jedoch signifikante Effekte. So wird ein Sturm, der über einen wärmeren Wirbel zieht, über dessen Zentrum abgebremst. So maßen die Forscher über dem kälteren "Durchschnittseddy" eine Abnahme der Windgeschwindigkeit um maximal bis zu 0,31 Meter pro Sekunde. Die Wolkenbedeckung über ihm verringerte sich um 1,7 Prozent, und die Wahrscheinlichkeit für Regen fiel um 1,7 Prozent.

Frenger und ihre Kollegen sind überzeugt, dass sich diese lokalen Effekte auf das Klimageschehen im größeren Maßstab auswirken, indem sie die Variabilität in der Atmosphäre erhöhen. Deshalb sollten sie in den Modellen entsprechend berücksichtigt werden." (Anje Findeklee in www.spektrum.de/news/kleinere-meereswirbel-beeinflussen-wind-und-wetter/1200649).

Die Erforschung mittelgroßer aber auch von häufig instabilen kleineren Meereswirbeln steckt noch in den Anfängen. Wenig ist beispielsweise über "Wirbelketten" oder "Wirbelstraße" bekannt die sich insbesondere an kleineren Wirbeln im Ozean häufig beobachten lassen. Zwar kennt die Strömungsmechanisch die Kármánsche Wirbelstraße.

 

Animation zur Ausbildung einer Wirbelstraße

 

die sich hinter umströmten Hindernissen ausbildet. Wie aber entstehen solche Wirbelstraßen im offenen Ozean, welche Dynamik entwickeln sie, wie nehmen sie Einfluss auf das Strömungsverhalten? Das und anderes erforschen Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Geesthacht mit einer Vielzahl von Messgeräten und hochauflösenden Kameras an der Ostsee und setzen dabei auch einen Zeppelin ein. Praktische Auswirkungen könnten solche Wirbel etwa für die Nahrungskette und andere biologische Abläufe haben (www.welt.de/wissenschaft/article155574792/Ein-Zeppelin-soll-Wasserwirbel-erforschen.html).

 

 

 

Meereswirbel und Ökologie

Wegen seiner Tiefe und seiner gewaltigen Ausmaße birgt der Meeresboden noch heute viele gut gehütete Geheimnisse. Was mittlerweile aber erkannt worden ist: Riesenwirbel mit Durchmessern von über 150 Kilometern bilden eine Art "Kommunikationssystem" zwischen der Meeresoberfläche und den Tiefen der Ozeane. Dabei folgen sie denselben mathematischen Gesetzen wie schwarze Löcher im Universum haben ein Schweizer Mathematiker der ETH Zürich und ein amerikanischer Ozeanograf herausgefunden: sie ziehen dank ihrer enormen Masse sämtliche Materie (einschließlich Licht) an und nichts kann ihnen entkommen.

Bisherige Untersuchungen der Dynamik von großen Wasserwirbeln waren daran gescheitert, dass Wissenschaftler die Grenzen der rotierenden Wassermassen nicht bestimmen konnten, was nun aber mit Satellitendaten möglich war. So konnten George Haller von der ETH Zürich und Francisco Beron-Vera von der Universität von Miami diese Wirbel mathematisch näher bestimmen und kamen dabei zu einem verblüffenden Ergebnis: Das in solchen Wirbeln eingeschlossene Wasser verbleibe fast ein Jahr lang darin ohne sich mit dem umliegenden Wasser zu durchmischen. Darin unterscheiden sich diese Riesenwirbel deutlich von kleineren und kleinsten Wasserwirbeln, die deutlich instabiler sind.

Trotz ihrer hohen Stabilität verstärken Riesenwirbel die Strömungsvorgänge, wie ein amerikanisch-französisches Forscherteam herausfand. Im Golf von Tehuantepec vor der südlichen mexikanischen Küste hatte sich ein Wasserwirbel mit 375 Kilometer Durchmesser gebildet, der langsam mit der Strömung weiterzog. Mit Sedimentfallen an einem "schwarzen Raucher" in etwa 2.500 Metern Tiefe konnten die Forscher an diesem Wirbel Erkenntnisse über unterseeischen "Frachtwege" und Durchmischungen in horizontaler wie in vertikaler Richtung gewinnen. Während Meeresströmungen vor allem weite Strecken überwinden sind die Riesenwirbel mit ihrem Sog zusätzlich für die vertikale Durchmischung des Wassers verantwortlich. Dabei transportieren sie nicht nur Wärme, Plankton, Spurenelemente unterirdischer Vulkane und Kohlenstoff, sondern auch Müll und Schadstoffe aller Art.

Die lange gehegte Idee, dass die Meeresoberfläche und die Tiefsee weitgehend voneinander getrennte Systeme bilden wird also nicht nur durch den Müll widerlegt, der in der Tiefsee gefunden wird, sondern auch durch solche Untersuchungen zu Riesenmeereswirbeln.

 

 

 

Wirbelndes Wasser - Einwirkung der Coriolikraft

Riesenwirbel im Meer sind von der Corioliskraft (verlinken mit www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/geografie/artikel/die-corioliskraft-ursache-der-passate-und-westwinde) beeinflusst, einer ablenkenden Kraft welche durch die Rotation der Erde entsteht. Aus diesem Grunde dreht sich ein warmer 'antizyklonischer Wirbel' (eine Beule auf der Meeresoberfläche) auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn und auf der Südhalbkugel entgegen dem Uhrzeigersinn. Ein kalter 'zyklonischer Wirbel' (eine Delle in der Meeresoberfläche) dreht sich auf der Nordhalbkugel hingegen entgegen dem Uhrzeigersinn, und auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn. In der Atmosphäre verhalten sich Antizyklone (Hochdruckgebiete) und Zyklone (Tiefdruckgebiete) ebenso.

Ob die Corioliskraft allerdings auch kleinere und kleinste Wirbel beeinflussen kann und Wasser auf der nördlichen Halbkugel generell andersherum abläuft als auf der südlichen (verlinken mit www.geo.de/reisen/reisewissen/5551-rtkl-corioliskraft-laeuft-wasser-australien-wirklich-anders-herum-ab) war umstritten. Glücklicherweise hat hier die einfache Beobachtung die Lösung gebracht: Auf die Drehrichtung des Abflusses einer Badewanne beispielsweise nimmt die Corioliskraft zwar Einfluss, allerdings wirkt sie umso schwächer, je kleiner die Strömungsregion ist.

Deshalb wird die Drehrichtung solch kleiner Wirbel von anderen Faktoren überlagert, beispielsweise der Eigenbewegung des Wannenwassers, hydraulischen Gegebenheiten im Abflusssystem, selbst durch einen Luftzug. Nur unter extrem kontrollierten Bedingungen (24 Stunden ruhendes Wasser, kreisförmige Wanne) konnte ein amerikanischer Strömungsphysiker 1962 den minimalen Einfluss der Corioliskraft im Abfluss nachweisen.

 

Nicht nur auf der Nordhalbkugel gibt es linksdrehendes Wasser © Pavel Losevsky / Fotolia

 

Auch bei kleineren Meereswirbeln, insbesondere solchen in Küstenregionen, können Faktoren wie Strömungen, Fließhindernisse oder Durchgangshöhlen, Meerengen usw. den Einfluss der Corioliskraft überlagern. Zudem nimmt die Corioliskraft zum Äquator hin ab und am Äquator selbst ist sie gleich null - trotzdem drehen sich die Strudel auch hier. Mal rechtsherum, mal linksherum. So ist die Corioliskraft offensichtlich nicht für die Wirbelbildung als solche verantwortlich.

 

Strudel - Faszination und Angst

Der US-amerikanische Autor Edgar Allan Poe hat im Jahr 1841 mit seiner Geschichte „A Descent into the Maelstrom“ der Gewalt von Meeresstrudeln und der Angst vor ihrem Sog ein beeindruckendes literarisches Denkmal gesetzt. Die halbfiktive Geschichte beschreibt den bekannten und von Seefahrern und Fischern gefürchteten Gezeitenstrom Moskenstraumen vor den südlichen Lofoten in Norwegen. Zusammen mit dem Saltstraumen der Randgeschwindigkeiten von bis zu 40 km/h erreicht gilt er als einer der gefährlichsten Meeresstrudel der Erde.

 

solidariteetprogres.fr/documents-de-fond-7/politique/edgar-poe-crise-9109.html

       

Für größere motorisierte Schiffe bergen Meeresstrudel heute nicht mehr so große Gefahren wie für die Nussschalen, mit denen die Fischer früher auf das Meer segelten. Meereswirbeln spielen heute vor allem bei der Wahl von Fahrtrouten eine Rolle: Es kann Geschwindigkeitsunterschiede von mehreren Knoten ausmachen, auf welcher Seite man einen Meereswirbel umfährt.

Die Angst, vom Wasser oder darin lebenden Ungeheuern in unbekannte Tiefen gezogen zu werden gehört aber wohl zu den archaischen Ängsten des Menschen. Sie findet in den Mythen und Erzählungen zahlreicher alter Kulturen ihren Ausdruck: so soll das griechischen Meeresungeheuer Charybdis mit seinem Maul dreimal an Tag riesige Strudeln geschaffen und die Seefahrer in Bedrängnis gebracht haben, in der finnischen Mythologie gelangten die Seelen der Verstorbenen durch einen Strudel in das Totenreich Tuonela. Selbst in der Mythologie mandschu-tungusischer Völker die vorwiegend im asiatischen Inland siedelten und Strudelbildungen vermutlich nur von Flüssen kannten, war die diesseitige Welt über einen Strudel mit der jenseitigen verbunden.

In manchen Küstengegenden erzählt man sich noch heute die alten Seefahrergeschichten um den Sog. Aber auch in Karstlandschaften wo das Wasser in Schlucklöchern verschwindet hört man Geschichten von verschluckten Fuhrwerken, Tieren und Menschen die in der Unterwelt verschwunden sind und später mit dem Wasser einer großen Karstquelle wieder ausgespült wurden. Tatsächlich sind die Strudel beim Ablaufen des Wassers in die unterirdischen Höhlensysteme des Karstes aber deutlich schwächer als Meeresstrudel.

 

Slowenien, kleiner Wirbeln an einer Schwinde der Unica                                  Slowenien, Schlucklöcher im Cerknica Jezero

                                                                                                                                  Wirbel als Gestaltungselement der Landschaft

 

Wasser ist eine der Naturkräfte die Landschaft am stärksten formen. Bekannt sind etwa die Gumpen und Strudeltöpfe die man vor allem an alpinen Wildbächen mit stärkerem Gefälle findet. Wie stark ihre Rundungen ausgeprägt sind hängt vom Wasserdruck, den mitgeführten Sedimenten und der Härte des Gesteins.

 

Geisterklamm Leutasch, ausgeprägte Gumpe in relativ weichem und löslichem Kalkstein

 

Während Wirbel am relativ weichen und löslichen Kalkgestein häufig ausgeprägte Rundungen bilden wird härteres Gestein vor allem an seinen Katen geschliffen. Strudeltöpfe sind hingegen zumeist nur in Ansätzen zu erkennen.

 

Nur in Ansätzen ausgeprägte Strudeltöpfe an 300.000 Jahren altem Basalt, Cascate Alcantara, Sizilien

 

Granit im Bachbett des Flusses Verzasca bei Lavertezzo, Schweiz

 

Eher selten sind Strudeltöpfe, die von Gletschern hinterlassen wurden, die sog. "Gletschertöpfe" (verlinken mit de.wikipedia.org/wiki/Gletschertopf). Sie entstehen durch Schmelzwasser, das durch Gletscherspalten und Gletschermühlen unter Ausbildung starker Wirbel nach unten zum Gletscherbett abfließt. In diesen Wirbeln herrschen Fließgeschwindigkeiten von bis zu 200 km/h und hoher Druck. Auch in den Gletschermühlen selbst fließt das Wasser zumeist in einer rotierenden Bewegung ab - ein Schauspiel, das in den Alpen heute nur noch vereinzelt zu bewundern ist und bald ganz der Vergangenheit angehören dürfte.

Die vielleicht eindrucksvollsten Gletschertöpfe Europas sind im Gletschergarten Luzern zu bewundern. Sie sind heute mit einer Überdachung vor weiterer Erosion durch Wind und Wetter geschützt.

 

www.nachhaltigleben.ch/freizeit/gletschergarten-in-luzern-zermatt-oder-cavaglia-entdecken-3228

 

Eindrucksvoll sind solche Gletscherschliffe wenn sie hoch in den Bergen liegen wie etwa die Trockenklamm "Kirchle" oberhalb der Rapplochschlucht oder die Spielberghöhlen (zu finden beim Aschauer Karstweg) mit ihren vom Schmelzwasser vergangener Jahrtausende geschliffenen Gängen.

 

 

Unterirdische Wirbel

Nicht nur an der Erdoberfläche wirkt die gestaltende Kraft von Wirbeln sondern auch an unterirdischen Wasserläufen. So fällt auf, dass sehr viele Erdfälle eine kreisrunde Form haben. Handelt es sich nicht um eingestürzte Magmakammern sondern um Karstgestein ist in vielen Fällen anzunehmen, dass Wasser in den unterirdischen Systemen aus Spalten und Höhlengängen an manchen Stellen durch Wirbeln annähernd runde Dome ausgewaschen hat die schließlich einstürzen.

Ein beeindruckendes Beispiele ist die Doline Unska kolisevka (45.814939, 14.265894) nordöstlich der Höhlen von Postojna in Slowenien. Sie ist annähernd kreisrund mit einem Durchmesser von rund 200 Metern, hat eine Tiefe von 125 Metern und nahezu senkrechte Wände. Sucht man nach dem Begriff "sinkhole" so findet man im Internet zahlreiche Bilder solcher kreisrunden Erdfälle.

 

Reuters

 

Zu erwähnen ist, dass Geologen für solche Erdfälle häufig keine schnellen Erklärungen haben, wohl auch deshalb, weil über die meisten wasserführende Höhlen wegen der besonderen Schwierigkeit sie zu erkunden noch kaum etwas bekannt ist. Die Tiefe solcher Einsturzlöcher kann immerhin bis zu 500 Metern betragen.

Einsturzdolinen in solch auffallend runden Formen findet man nicht nur an Land, sondern auch im Meer, häufig an Korallenriffen wo sie als Blue Holes bezeichnet werden. Das größte seiner Art ist nach bisherigem Wissensstand das Drachenloch im Südchinesischen Meer mit einer Tiefe von gut 300 Metern. Auch sie sind durch unterirdische Wasserströme entstanden, welche das Kalkgestein aus der Urzeit des Riffs erodiert und in Lösung gebracht haben.

Häufig entstanden solche Einstürze während der Eiszeiten, als die Region trockengefallen war. Als die Gletscher schmolzen, füllten sich die Trichter schnell mit Wasser. Mit bloßem Auge zu erkennen sind nur diejenigen, die sich heute dicht unter der Wasseroberfläche befinden.

 

© iStock / Mlenny (Ausschnitt)

 

 

Beispiel für die Lebensphasen eines kleinen Wirbels

Kleinere Wirbel sind in der Natur zumeist recht kurzlebig. Ist das Wasser klar so lässt sich an ihnen der Lebenszyklus eines Wirbels gut erkennen. Hier wird exemplarisch ein Wirbeltyp vorgestellt der entsteht, wenn an einer Staumauer in geringer Tiefe ein Loch ist durch das Wasser abfließen kann.

Zunächst entsteht zwischen dem Loch und der Wasseroberfläche entlang einer etwa vertikalen Achse eine kreisende Bewegung die sich langsam verstärkt und dann an der Wasseroberfläche erkennbar wird. Ein sichtbarer Wirbelkanal ist in diesem Stadium noch nicht ausgebildet und der Wirbel ist sehr instabil. Er lässt sich leicht von seiner Umgebung beeinflussen, etwa seitlich verschieben. Ist die Drehkraft nicht stark genug und wird sie von anderen Kräften überlagert, so kann sich der Wirbel in diesem Stadium wieder auflösen.

 

Entstehen eines kleinen Wirbels

 

Mitunter bilden sich zwei benachbarte Achsen mit gegenläufiger Rotationsbewegung aus. Deren Kraft ist - anders als bei großen Wirbeln - aber nicht stark genug um zwei Wirbelkanäle auszubilden. Meistens lösen sich beide Rotationsachsen wieder auf, selten bildet die stärkere auch einen Wirbelkanal aus.

 

 

Gegenläufige Rotationsbewegung

 

Im Normalfall öffnet sich entlang der Rotationsachse von oben nach unten ein zunehmend tiefer und starker Wirbelkanal mit ebenmäßiger Form und steiler Wand. Der Wirbeltrichter bildet durch die Lichtbrechung einen großen und starken Schatten.

 

 

Je nach seiner Größe und Schwungkraft bleibt der Wirbel bis zu maximal etwa 20 Sekunden in dieser Form erhalten. Danach entwickelt der Wirbelkanal zunehmend stärkere Einbuchtungen bis er schließlich an einer Stelle vollständig getrennt wird - der Anfang vom Ende des Wirbels.

 

 

Die rotierende Kraft nimmt in diesem Stadium immer weiter ab. Schließlich bleiben nur noch einige Luftblasen entlang des ehemaligen Wirbelkanals übrig. Sie bleiben noch für einige Sekunden unter Wasser gefangen bevor sie dann aufsteigen.

 

 

Kleine und kleinste Wirbel

Betrachtet man strömungsfreie Wasserflächen aus nächster Nähe so erkennt man, dass an ihrer Oberfläche auch ohne den Einfluss von Wind, aufsteigenden Gasblasen, Fischen oder sonstigen mechanischen Einflüsse spontan immer wieder winzig kleine Wirbel entstehen. An klarem Wasser erkennt man sie mit geschultem Auge durch ihre Lichtbrechung, an dunklem Wasser durch winzigen Krater, die sich an der Wasseroberfläche bilden.

  

Wirbel auf der Oberfläche eines nahezu vollständig ruhenden Gebirgssees

 

Eine mäßig starke Strömung verstärkt die Tendenz zur Wirbelbildung. Schon an kleinen Hindernissen unterhalb der Wasseroberfläche kann sich eine Wirbelstraße bilden, deren Wirbel mit der Strömung fortgetragen werden und dabei schnell an Kraft verlieren, sich am Hindernis aber immer wieder neu ausbilden.

 

 

Berührt das Hindernis die Wasseroberfläche so entstehen für den Beobachter Wellen.

 

 

Fließt das Wasser schneller, so bildet es an Hindernisse einen Schwall oder eine Walze.

 

 

Je kleiner Wirbel sind umso schwerer lassen sie sich mit bloßem Auge erkennen. Bis zu einer bestimmten Größe bietet die Fotografie eine Möglichkeit, auch sehr kleine und kurzlebige Wirbel festzuhalten die sich ständig neu bilden. Mit kurzen Belichtungszeiten und schneller Bildfolge sind auch Sequenzen zu Bewegungsabläufen möglich.

 

 

Momentaufnahmen der Oberfläche vom mäßig stark fließenden Wasser eines Gebirgsbaches

 

 

Allerdings vermittelt die Fotografie nur ein zweidimensionales Bild der Wirbel an Wasseroberflächen. Tatsächlich sind sie aber dreidimensional und es gibt sie wohl überall im Wasser, vermutlich bis in die Tiefen der Ozeane.

Interessantes über Wirbel können wir von den Tieren lernen, die im Wasser leben. Sie haben sich im Lauf der Evolution so entwickelt, dass sie sich mit möglichst wenig Kraft fortbewegen können. Schwimmt etwa eine Ente auf dem Wasser, so schiebt sie kleine Wellen vor sich her während sich direkt an ihrem Federkleid ein Strömungsabriss aus zahllosen kleinen Wirbeln ausbildet.

 

 

Strömungsabriss unter Bildung zahlreicher kleiner Wirbel am Körper der Ente

 

Wie sich Fische im Wasser fortbewegen ist aus physikalischer Sicht in vielen Aspekten noch nicht genau geklärt werden. So hat man beispielsweise noch keine triftige Erklärung dafür gefunden wie Lachse gewaltige Stromschnellen überwinden und dabei bis zu drei Metern hoch springen können. Die kleinen und teils winzigen Wirbel, die sie auf ihrem Weg durch das Wasser erzeugen, sind jedenfalls der Nachweis eines konstanten Impulsaustauschs zwischen dem Fisch und seiner Umgebung.

 

 

Ein Forscherteam um Florian Huhn von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (verlinken mit www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2015/die-physik-zwischen-fisch-und-wasser) versucht, die Impulsübertragung zwischen Wasser und schwimmendem Fisch mithilfe von komplexen, raumzeitlichen Wirbelfeldern, den sog. kohärenten Lagrange’schen Strukturen zu beschreiben. Das sind Muster langlebiger, zusammenhängender Bewegungen von Flüssigkeiten oder Gasen in turbulenten Strömungen.

 

Fisch erzeugt Wirbel

 

Manche Jäger machen sich diese Wirbel zunutze um ihre Beute aufzuspüren. Wissenschaftler der Universität Rostock hatten bereits die Fähigkeit von Seehunden beobachtet, Fische auch in trübem Wasser anhand ihrer Wirbel aufzuspüren und zu verfolgen, selbst noch rund 30 Sekunden nachdem die Beute vorbeigeschwommen war. In einer jüngeren Studie fanden sie zudem heraus, dass Seehunde mithilfe ihrer Barthaare unterschiedliche Wasserstrudel sogar verschiedenen Objekten zuordnen können (cordis.europa.eu/article/id/33404-waves-and-the-perception-power-of-seals/de). 

 

 

 

 

Mikrowirbel

Werden die Wirbel immer kleiner so sind schließlich auch die Möglichkeiten des Beobachtens und der Fotografie erschöpft. Vermutlich setzt sich die Wirbelbildung aber fort bis zu immer kleineren Formen bis man schließlich bei Mikrowirbeln und im molekularen Bereich angelangt ist. Während von Seiten der Wissenschaft hierzu wenig verlautet schallt es von Seiten vieler Anbieter von Wasserbehandlungsräte und Esoterik umso lauter (verlinken mit Anomalien des Wassers). Häufig wird das Thema des Mikrowirbels dabei mit der Struktur von Wasserclustern (verlinken mit de.wikipedia.org/wiki/Wassercluster) und den damit verbundenen sog. "Informationen" des Wassers in Zusammenhang gebracht die ihm ein "Gedächtnis" geben.

 

www.wasserhaus.de/Wasserwirbler-Streamline

 

Einer der Gründe für das besondere Interesse esoterisch orientierter Menschen ist wohl, dass die Wissenschaft über das Verhalten von Wasser im Bereich der Cluster und Mikrowirbel noch so viele Fragen offenlässt (vielfach auch noch gar nicht gestellt hat). Damit ist ein Vakuum geschaffen in dem sich die unterschiedlichsten Vorstellungen breit machen können. Andererseits hat das Wasser bis hinein in seine Mikrostrukturen für physiologische Abläufe im Organismus und damit für die Gesundheit sicherlich hohe Bedeutung.

 

Wasserwirbel in der Technik

In technischen Anwendungen spielt die Bildung von Wirbeln und Turbulenzen besonders bei Wasser und Luft eine erhebliche Rolle. Sind Luftturbulenzen beispielsweise in der Luftfahrt oder als Rüttelkräfte an Windkraftanlagen von hoher Bedeutung so werden sie für Wasser im Zusammenhang mit wasserführenden technischen Anlagen, mit der Schifffahrt oder der Schadenprävention untersucht. Die Fragestellungen sind ähnlich vielfältig wie der Gebrauch von Wasser in technischen Anwendungen.

Dabei interessieren Fragen der physikalischen Strömungslehre wie die Verluste durch den Geschwindigkeitsunterschied der laminaren Strömung in der Mitte eines Rohres und der turbulenten Strömung an seiner Wandung entstehen und wie man solche Verluste vermindern kann (www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/stroemungsmechanik-wie-man-wirbel-zaehmt-1970333.html). Es werden die Möglichkeiten untersucht Wirbel bei der Energiegewinnung in Form Wasserwirbelkraftwerken (verlinken mit de.wikipedia.org/wiki/Wasserwirbelkraftwerk) einzusetzen oder ihre zentripetale Kraft zur Reinigung zu nutzen. Oder es wird untersucht welche erodierende Kraft Wirbel und Turbulenzen unter welchen Verhältnissen auf welche Materialien ausüben und wie sich Schäden vermeiden lassen.

Zunehmend viele Erkenntnisse und Anregungen wird die Forschung dabei von der Bionik erhalten, die eine Brücke zwischen biologischer und technischer Forschung schlägt. Dabei wird sich vermutlich immer deutlicher herausstellen, dass die Evolution in 500 Millionen Jahren für das meiste wonach die Technik heute sucht längst Lösungen entwickelt hat - nur finden muss man sie eben.

 

 

Weiterführende Links

https://de.wikipedia.org/wiki/Strudel_(Physik)

https://de.wikipedia.org/wiki/Wirbel_(Ströhmungslehre)

https://www.spektrum.de/lexikon/geographie/karman-wirbelstrasse/3992

https://14-tage-wettervorhersage.de/news/thema/170407/

https://wetterkanal.kachelmannwetter.com/karmansche-wirbelstrassen/

https://www.biologie-seite.de/Biologie/K%C3%A1rm%C3%A1nsche_Wirbelstra%C3%9Fe

https://weather.com/de-DE/wissen/klima/news/meereswirbel-forschungszeppelin-ostsee-deutschland

https://de.wikipedia.org/wiki/Gletschertopf