Strömungsmechanik Wo spielen Strömungen in den Geowissenschaften eine Rolle?  Meeresströmungen (Klima bzw. Paläoklima und Paläoumwelt)  Grundwasser (Verfügbarkeit, Verschmutzung)  Öl-/Gas-Lagerstätten (Reservoir-Bildung und Förderung)  Geothermie („Förderung“ von Thermalwässern)  Tektonik (Mantelkonvektionen als Motor von Plattenbewegungen, duktile Deformation)  Vulkanismus (Magmaströmung)  Sedimentation (Bildung von Sedimentgesteinen)  Magnetfeld der Erde (Konvektionen im flüßigen äußeren Erdkern)  Bewegung von Tieren im Wasser bzw. Luft (Ausrichtung In Strömung, Bionimetik)  Pflanzen (Strömungen in Blattadern oder an Blattoberflächen etc., z.B. als Klimaindikator)

Strömungsmechanik Kontinuitätsgleichung Die allgemeine Kontinuitätsgleichung berücksichtigt Strömungen in beliebige Richtungen sowie auch räumliche und zeitliche Änderungen der Dichte δρ/δt + div(ρv) = 0

Strömungsmechanik Was ist wichtig zur Beschreibung von Strömungen?  Kontinuitätsgleichung (Erhaltung der Masse)  Hagen-Poiseuille Gleichung (laminare Strömung in Röhren)  Kapillarwirkung (bei langsamer Strömung wichtig)  Stokes‘sches Gesetz (Strömung von Partikeln: advektiver Transport)  Bernoulli Gleichung (bei schneller Strömung wichtig)  Auftrieb (Bewegung im Gravitationsfeld)  Wärme (erzeugt Druck- bzw. Dichteunterschiede)

Strömungsmechanik Hagen-Poiseuille Gesetz p2-p1=Δp p2 v(r) R l Volumenstrom Q =

Strömungsmechanik Kapillarwirkung Wichtig in dünnen Kapillaren (hohes Verhältnis Oberfläche zu Volumen) für Hydrostatik (z.B. in der Kapillarzone des Grundwasserspiegels) und für geringe Strömungsgeschwindigkeiten Molekularkräfte zwischen Flüssigkeitsmolekülen (Kohäsion) bzw. Wand und Flüssigkeit (Adhäsion)

Strömungsmechanik Strömungswiderstand – Stokes‘sches Gesetz Reibungskraft auf die Kugel bei laminarer Strömung r Radius der Kugel

Laminare und Turbulente Strömungsmechanik Laminare und Turbulente Strömung Strömung durch innere Reibung dominiert Strömung durch Trägheitskräfte dominiert In turbuenter Strömung gilt: cw Widerstandsbeiwert A Querschnittsfläche Strömungswiderstand

Ableitung des Strömungswiderstands für turbulente Strömung Strömungsmechanik Ableitung des Strömungswiderstands für turbulente Strömung Strömendes Objekt mit Querschnittsfläche A und Geschwindigkeit v Zurückgelegte Strecke des Objekts in Δt: Δs = v∙Δt Dabei zur Seite geschobenes Volumen: V = A∙Δs = A∙v∙Δt entspricht einer Masse: m = ρ∙V = A∙Δs = ρ∙A∙v∙Δt Annahme: Die beiseite geschobene Teilchen erhalten eine Geschwindigeit von vL~v Damit erhalten sie eine kinetische Energie: E = (1/2)∙m∙vL 2 = (1/2)∙ρ∙A∙v∙Δt∙vL2 mit vL2 = cW∙v2 ergibt sich: E = (1/2)∙ cW∙ρ∙A∙Δt∙v3 Diese Energie geht der kinetischen Energie des strömenden Objekt verloren Mit E = F∙Δs (Kraft∙Weg) und Δs = v∙Δt ergibt sich die Formel

Es gibt keine magnetischen Monopole !!! Strömungsmechanik Strömung in Gefäßen (Rohrleitungen, Blutgefäße, Blattadern) Es gibt keine magnetischen Monopole !!! Blattoberfläche Luftströmung über einem Blatt kann laminar oder turbulent sein

Strömung des Grundwassers Strömungsmechanik Strömung des Grundwassers wird meistens als laminar betrachtet Blattoberfläche Quelle: http://www.uwsp.edu/cnr/gndwater/Stevens%20Point-Whiting-Plover%20Groundwater%20Management.htm

Bestimmung des cw-Wertes eines Fallschirmspringers (m=80 kg) Strömungsmechanik Bestimmung des cw-Wertes eines Fallschirmspringers (m=80 kg) FG = m∙g Im Gleichgewicht ist F = FG Je nach Haltung wird eine maximale Geschwindigkeit von ca. 180 - 320 km/h (ca. 50 - 90 m/s) erreicht Damit ergibt sich (ρ=1,2 kg/m3 für Luft) d.h. cw ≈ 0,7 (für 50 m/s) „Bauchsprung“ (A=0,75m2) cw ≈ 0,6 (für 90 m/s) „Kopfsprung“(A=0,25m2) Wäre der Fallschirmspringer eine Kugel und die Strömung laminar, so wäre im Gleichgewicht FG = 6∙π∙∙r∙v (Stokes‘sches Gesetz) daraus ergibt sich v ≈ 107 m/s (für r = 0,25 m für kugelförmigen Fallschirmspringer) Dieser Wert ist natürlich absurd; es zeigt aber den gewaltigen Unterschied zwischen dem Strömungswiderstand bei laminarer und turbuenter Strömung Blattoberfläche Nach dem Öffnen des Schirms (A=40 m2) ergibt sich im Gleichgewicht (bei turbulenter Strömung) eine Geschwindigkeit von v ≈ 5 m/s ≈ 20 km/h (bei cW=1)

Strömungsmechanik Ft = m∙a FG = m∙g Weg x, Geschwindigkeit v=dx/dt, Beschleunigung a=d2x/dt2 (während des Falls vor den Öffnen des Schirms) Es gilt die Bewegungsgleichung FG = m∙g Ft = m∙a Die geringere Endgeschwindigkeit von 38 m/s ≈ 140 km/h ergibt sich aufgrund der etwas größer angenommen Werte für cw und A

Laminare Strömung Turbulente Strömung Strömungsmechanik Laminare Strömung Turbulente Strömung bei niederer Reynolds-Zahl Re < ca. 2000 bei hoher Reynolds-Zahl Re > ca. 4000 Bei höheren Reynolds-Zahlen wird die Strömung anfälliger für Störungen  Dichte v Strömungsgeschwindigeit d charakteristische Länge  Viskosität Reynolds-Zahl Re =  v d / Re ist ein Maß für das Verhältnis von Trägheitskraft zu Reibungskraft

Strömungsmechanik Beispiele Rohrströmung Bei höherer Strömungsgeschwindigkeit wird die Strömung turbulent Unebenheiten erzeugen zusätzlich Turbulenzen (Strömung durch ein glattes Rohr bleibt eher laminar) Zwei miteinander strömende Flüssigkeiten erzeugen ebenfalls zusätzlich Turbulenzen Quelle: Fachbereich Physik Univ. Kaiserslauten Download Video: http://pen.physik.uni-kl.de/medien/MM_Videos/index.html?/medien/MM_Videos/reynolds/farbfaden-web-ger.htm

Strömungsmechanik Beispiele für Reynolds-Zahlen: Wasserströmung im Rohr ≈6000 (0,1 l/s, Durchmesser 2 cm) Luftströmung ≈108 (für d= 100 m) (10 m/s = 36 km/h, ρ= 1,2 kg/m3) Blut in Aorta ≈1000 (Kontraktionsphase) Schwimmer ≈105 Viskosität  (Ns/m2 = Pa∙s = 10 Poise): Luft 1,8x10-5 Wasser 10-3, Olivenöl 10-1, Honig 10, Steinsalz 1010-1015, Erdmantel 1018-1022, basaltisches Magma 10-103, äußerer Erdkern ähnlich wie Wasser (??) Will man z.B. den Erdmagnetfeld-Dynamo im Experiment simulieren muss man eine realistische Reynolds-Zahl erzeugen, d.h. v∙d muss dem Erdkern entsprechen. Da d im Experiment viel kleiner ist als im Erdkern müsste v sehr groß werden !!

Strömungsmechanik Beispiel Basaltschlot: Viskosität 300 Poise Durchmesser 200 m Vertikaler Druckgradient Δp/Δz = 0,3 kbar/km (1 kbar=108 N/m2) Damit ergibt sich: Q ≈4∙1010 m3/s ≈3,5∙106 km3/Tag aus Hagen-Poiseuille Gesetz mit Δp/l = Δp/Δz d.h. Fließgeschwindigkeit v wäre ≈106 m/s, ein absolut unsinniger Wert Wo liegt der Fehler? 1) Druckgradient: nur Dichteunterschied Festgestein zu Magma ist für Δp/Δz relevant Δp/Δz ca. um Faktor 10 geringer => Q und v um Faktor 10 geringer 2) v.a. Schlotdurchmesser bei d=20 m => Q ≈4∙105 m3/s und v ≈ 103 m/s unrealistisch: bei d=2 m => Q ≈40 m3/s und v ≈10 m/s ; Re ≈2000 Spalte (Dyke) statt zylindrischer Schlot: Es git: (parallele Platten mit Länge l, Breite b, Abstand 2d) und damit Q ≈103 m3/s und v ≈5 m/s (Fluss entlang l, b=100 m, 2d=2 m, Δp/l = Δp/Δz = 30 bar/km) Re ≈1000

Strömungsmechanik Poiseuille Strömung zwischen parallelen Platten p2-p1=Δp p2 Parallele Platten v(r) d l Volumenstrom Q =

Grundwasserströmung durch Porenraum Strömungsmechanik Grundwasserströmung durch Porenraum Röhrenmodell Aus dem Hagen-Poiseuille Gesetz folgt: Strömungsdichte k Hydraulische Permeabilität Darcy Gesetz (Empirisches Gesetz) l/L Tortuosität Φ = π r2l / L3 = π T (r/L)2 Porosität (0<Φ<1) Spor = 2π r l / π r2 l = 2/r Innere Oberfläche pro Porenvolumen (Stirnflächen vernachlässigt) Ein Vergleich der Gleichungen liefert: k kann damit auf geometrische Parameter der Porenräume zurückgeführt werden

Porenraumverteilung in Lehmböden Strömungsmechanik Porenraumverteilung in Lehmböden

Magnetismus Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld Magnetfeld eines Permanentmagneten Es gibt keine magnetischen Monopole !!! Ursache ??? Maxwell-Gleichung

Wie kann ein Magnetfeld selbsterzeugend und selbsterhaltend sein? Magnetfeld der Erde GEODYNAMO Wie kann ein Magnetfeld selbsterzeugend und selbsterhaltend sein? Ein Zweischeibendynamo kann auch unregelmäßige Umkehrungen erklären Der Rikitake-Dynamo benötigt: rotierende Scheibe leifähigen Ring („Spule“) Startfeld (B-Feld) Durch Lorentzkraft kommt es zum Stromfluss in der Spule, welcher wiederum ein Magnetfeld parallel zum Startfeld erzeugt (das Startfeld kann dann entfallen und das B-Feld bleibt erhalten, solange die Scheibe rotiert)

Magnetismus Woher kommt der Festkörpermagnetismus ? Antwort: Spin der Elektronen = atomarer Ringstrom Jedes Elektron erzeugt ein atomares magnetisches Moment der Stärke 9,274078∙10-24 Am2 (Bohrsches Magneton) Zum Vergleich: Magnetisches Moment der Erde ca. 8∙1022 Am2 Ströme erzeugen immer geschlossene B-Feldlinien, d.h. es gibt Plus-Minus (bzw. N-S) Pole nur in Kombination

Formen des Magnetismus Spin des Elektrons Magnetfeld Diamagnetismus: Spinachse (=magnetisches Moment) des Elektrons beschreibt in einem Magnetfeld eine Kreiselbewegung (Präzession) um die Magnetfeldrichtung. Die Kreiselbewegung stellt einen zusätzlichen Ringstrom dar; das hier entstehende magnetische Moment ist dem Magnetfeld entgegengerichtet. Diamagnetismus ist eine Eigenschaft aller Stoffe. Diamagnetismus ist grundsätzlich sehr schwach.

Formen des Magnetismus Paramagnetismus: Stoffe mit unkompensierten Spinmomenten von Atomen bzw. Ionen sind paramagnetisch. Die Spinmomente benachbarter Atome / Ionen sind aber statistisch verteilt. In einem äußernen Magnetfeld werden die Spinmomente ausgerichtet und der Stoff wird magnetisch (magnetisches Moment in Magnetfeldrichtung). Nimmt man das Magnetfeld weg, so ist die Magnetisierung wieder null (statistische Ausrichtung wieder hergestellt). Paramagnetismus ist relativ schwach.

Formen des Magnetismus Ferromagnetismus: Stoffe mit unkompensierten Spinmomenten (wie beim Paramagnetismus), aber mit Wechselwirkung benachbarter Spins. Diese Wechselwirkung führt zur Parallelstellung der Spinmomente. Ferromagnetismus ist stark. Ferromagnetische Stoffe können permanent magnetisch sein. Fe, Co, Ni und seltene Erden sind bei Zimmertemperatur ferromagnetisch. Oberhalb der Curie-Temperatur (Tc) werden ferromagnetische Stoffe paramagnetisch

Formen des Magnetismus Ferromagnetismus: Sättigungmagnetisierung Hysteresekurve M: Magnetisierung H: Magnetfeld (B = μo∙H in Luft) [M] = Am-1 [H] = Am-1 [B] = Tesla = Vsm-2

Ferromagnetismus Wie kann ein ferromagnetisches Teilchen unmagnetisch sein? Antwort: Aufteilung in magnetische Domänen, die durch Domänenwände getrennt sind

Magnetismus der Gesteine Hämatit 10 mm Domänenstrukturen bei Hämatit In zwei verschiedenen äußeren Magnetfeldern 10 mm 10 mm 10 mm Hämatit Hämatit

Remanenter Magnetismus der Gesteine Die Ozeanbasalte haben eine starke permanente Magnetisierung, welche durch das Erdmagnetfeld entstanden ist (getragen durch Minerale mit ferromagnetischen Eigenschaften). Streifenmuster (antiparallele Magnetisierung) entstehen durch Umkehrungen des Erdmagnetfeldes während des Seafloor-Spreadings.

Ferromagnetismus Was führt zu remanenter Magnetisierung? Antwort: (1) Magnetische Momente haben Vorzugsrichtungen im Kristallgitter. Um von einer Richtung in die andere umzuklappen bedarf es hoher Energie (Mr/Ms, Hc sind daher groß, d.h. das Material hat ein gutes magnetisches „Gedächtnis“). (2) Domänenwände werden durch unmagnetische Einschlüße (z.B. Poren) und unregelmäßige Berandung, Gitterfehlstellen sowie innere Spannungen „festgehalten“ (Mr/Ms und Hc relativ kleiner, wenn Domänenwände existieren) Domänenwände exisitieren erst oberhalb einer kritischen Korngröße (diese ist hängt vom Material ab).

Ferromagnetismus H Magnetisches Moment m und Magnetisierung M Halbiert man den Magneten, dann halbiert sich m, aber M (M=m/Volumen) bleibt gleich B-Feld und H-Feld S N S N S N S N S N S N S N S N H S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N S N In einem schmalen Querschlitz entsteht durch die freien N- und S-Pole ein weiteres Feld =N∙M (= M, da für schmalen Schlitz ist N=1); dieses addiert sich zum äußeren Feld H. B = μo ( H + M )

Kernphysik (schwarz) Stabile isotope (blau) β_-Strahler n  p + Elektron + Antineutrino (rot) β+-Strahler p  n + Positron + Neutrino (gelb) α-Strahler http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/umwelt_technik/11nuklidkarte/nuklidkarte.htm α-Teilchen haben diskrete Energie, β-Teilchen nicht da hier die Energie in verschiedener Weise auf das β-Teilchen und das Neutrino bzw. Antineutrino verteilt wird. Nach dem α- bzw. β-Zerfall befindet sich der Atomkern in einem angeregten Zustand, was zur Emission eines γ-Quants mit diskreter Energie führt.

Kernphysik Zerfallsreihen Die natürlichen Zerfallsreihen Thorium-232 und Uran-238 sowie K-Zerfall (β-Zerfall zu Ca) Die Zerfallsreihen 238U und 232Th sind im radioaktiven Gleichgewicht, d.h. Die Aktivität A aller Zwischen- produkte sowie des Anfangsisotops ist gleich: N: Teilchenzahl, λ: Zerfallskonstante Daraus folgt, dass Zwischenprodukte mit hohem λ (= geringe Halbwertszeit) in relativ geringerer Konzentration vorliegen (z.B. Radon-Gas mit einer Halbwertszeit von ca. 4 Tagen; Anm.: Ra ist ein α-Strahler, kann als Gas durch Klüfte leicht aufsteigen, in den Körper eindringen und ist somit ein natürlicher „Umweltverschmutzer“).

Wichtige Wechselwirkungen der Kernbausteine Kernphysik Wichtige Wechselwirkungen der Kernbausteine Zwischen den Kernbausteinen (p,n) wirkt die „starke Wechselwirkung“. Sie hat im Atomkern eine sehr geringe Reichweite und führt dazu, dass Protonen nicht durch die elektrische Abstossung auseinander fliegen. Protonen sind stabil, d.h. Sie zerfallen nicht (zumindest ist dies bisher nicht beobachtet worden); im Atomkern kann aber ein p in ein n umgewandelt werden. Freie Neutronen sind nicht stabil, sie zerfallen in Proton+Elektron+Antineutrino (Halbwertszeit ≈ ¼ Stunde). Protonen wechselwirken aufgrund ihrer Ladung stark mit Materie (durch die Coulombkräfte). Neutronen dagegen wechselwirken mit Materie sehr viel schwächer (da sie keine Ladung haben wirken keine Coulombkräfte). Die Wechselwirkung beruht vorwiegend auf direkten Stössen, wobei praktisch nur Kollisionen mit Atomkernen von Bedeutung sind: bei hoher n-Energie rein elastische Stösse (wie Billiardkugeln), bei niedrigerer n-Energie inelastische Stösse (mit Erzeugung eines γ-Quants oder n-Einfang in den Atomkern). In den Geowissenschaften ist dies von Bedeutung bei der Erzeugung kosmogener Nukleide in Gesteinen (die n dazu werden in der Atmosphäre durch hochenergetische kosmische Strahlung gebildet) sowie zur Bestimmung von Wasser- bzw. Kohlenwasserstoffgehalt in der Hydrogeologie und für Öl/Gas-Exploration (Elastische Stösse mit besonders hohem Energieübertrag bei Kollision mit dem etwa gleich schweren HKern). Da Protonen geladen sind und einen Spin besitzen, präzidieren (=kreiseln) sie in einem Magnetfeld B umd die B-Feldrichtung mit der Lamorfrquenz fL Dieser Effekt ist z.B. wichtig als Messprinzip für Magnetfelfdmessungen und für Kernspinresonanz (Messung des Wassergehalts). γ: gyromagnetisches Vehältnis B Spin

Prinzip des Massenspektrometers zum Nachweis von Isotopen Kernphysik Prinzip des Massenspektrometers zum Nachweis von Isotopen Ionisierte Teilchen treffen an verschiedenen Stellen auf den Detektor Ablenkung im elektrischen Feld Ablenkung im magnetischen Feld Ionisiertes Teilchen

Prinzip des Massenspektrometers zum Nachweis von Isotopen Kernphysik Prinzip des Massenspektrometers zum Nachweis von Isotopen E-Feld vo l => Trägheitskraft = Coulombkraft; e: Elementarladung vo c α y Parabel v┴ durch E-Feld => r α E-Feld und B-Feld parallel => Ablenkung x und y in aufeinander senkrechten Richtungen Alle Isotope mit e/m=const liegen auf dieser Parabelkurve c α x + + + + + + + + B-Feld vo l Zentrifugalkraft = Lorentzkraft => Kreisbogen ds bei kleinem α