Experimentelle Untersuchung von Staubteufeln in einem Laborexperiment

Durch bodennahe Erwärmung der Luft bei starker Sonneneinstrahlung können sich aufsteigende Luftwirbel mit vertikaler Rotationsachse bilden, sogenannte Staubteufel. Die Struktur eines solchen Staubteufels wird dominiert von einem horizontalen Zufluss nahe der Erdoberfläche und einer vertikalen Aufwärtsströmung des Wirbels. Da die Staubteufel auf trockenem Untergrund entstehen, ist der im Zustrom mitgetragene Staub ursächlich für ihr Erscheinungsbild. Die Mechanismen ihrer Entstehung sowie ihre charakteristischen Eigenschaften sind bis heute kaum im Detail erforscht, da experimentelle Untersuchungen auf in-situ Messungen in der Atmosphäre beschränkt sind. Aufgrund der Nichtvorhersagbarkeit solch seltener Ereignisse sind Felduntersuchungen nur schwer möglich.

Mithilfe von Laborexperimenten können Staubteufel jedoch gezielt erzeugt und ihre Entstehungsmechanismen untersucht werden. Hierfür wird die Versuchsanlage „Ilmenauer Fass“ verwendet, die im Wesentlichen aus einem luftgefüllten, zylindrischen Tank mit einem Innendurchmesser von 7,15 m und einer Höhe von 8 m besteht. Am Boden des Behälters befindet sich eine Heizplatte, deren Temperatur zwischen 20°C und 80°C variiert werden kann. Eine zweite freischwebende Kühlplatte kann in einer beliebigen Höhe zwischen 0,2 m und 6,3 m positioniert und in einem Temperaturbereich von 10°C bis 30°C geregelt werden. Die Seitenwand des Zylinders ist adiabatisch. Mithilfe dieses Rayleigh-Bénard-Experiments lassen sich die Randbedingungen in einer konvektiven, atmosphärischen Grenzschicht gut nachbilden und die Entstehung von Wirbelstrukturen unter kontrollierten Bedingungen detailliert untersuchen. Hierfür wurde das optische Messverfahren Particle Tracking Velocimetry (PTV) genutzt, mit dem das dreidimensionale Strömungsfeld innerhalb und außerhalb solcher Wirbel erfasst werden kann. Dabei werden der Strömung dichteneutrale Seifenblasen zugeführt und mit vier Kameras aus unterschiedlichen Positionen zeitaufgelöst detektiert. Über Triangulation werden die 3D-Trajektorien der einzelnen Partikel im Raum berechnet.

Während bei der letzten Tagung noch das Messverfahren vorgestellt wurde, können nun die ersten Ergebnisse präsentiert werden. In Messreihen über mehr als insgesamt 20 Stunden wurden große Datenmengen gesammelt und vertikale Wirbelstrukturen identifiziert. Wie in numerischen Simulationen gezeigt werden konnte, nimmt die Häufigkeit solcher Strukturen mit zunehmender Größe stark ab. Deshalb wurde alternativ in der Mitte der Bodenplatte eine Heizmatte installiert, mit der eine lokale Temperaturüberhöhung bis 10 K über der Temperatur der Heizplatte realisiert werden kann. Mit dieser Modifikation des Laborexperiments kann nun auch die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Staubteufeln erhöht werden.