Wie Flocken durch die Luft taumeln

Ob Aschepartikel aus Vulkanausbrüchen oder winzige Schneeflocken: Teilchen in der Atmosphäre gleiten keineswegs geradlinig zu Boden. Vielmehr fallen sie mit einer Art Pendelbewegung, wie Forschende mit einem Laborexperiment nun zeigten. Wie diese Bewegung genau aussieht und wie sie sich auf das Klima auswirken könnte, berichten sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Testpartikel

„Bisher wurden die meisten Studien über das Verhalten solch kleiner Partikel mit Modellen in Flüssigkeiten durchgeführt, da Experimente in Luft extrem schwierig sind“, sagt Mohsen Bagheri vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Doch nun hat er mit seinem Team direkt beobachtet, wie sich Partikel in der Größe realer Asche- oder Schneepartikel bewegen.

Dazu nutzte das Team ein Laborexperiment mit gut kontrollierbaren Bedingungen: Mit einem 3D-Drucker stellten sie viele verschiedene Mikropartikel aus Plastik her – beispielsweise 50 Mikrometer dünne Scheiben und fast einen Millimeter lange Stäbchen. Diese Teilchen ließen die Forschenden in einer Kammer fallen, in der sich die Luft nicht bewegte. Um die Kammer herum installierten sie vier Hochgeschwindigkeitskameras. Mit diesen ließ sich genau beobachten und analysieren, wie die Teilchen in der Kammer etwa sechs Zentimeter nach unten fielen.

Taumelnde Partikel ähneln fallendem Laub im Herbst

Die Partikel sind viel schwerer als die umgebende Luft und zeigten in dem Experiment eine Art Pendel- oder Taumelbewegung, während sie zu Boden fielen – vergleichbar mit fallenden Blättern. Dieses Taumeln wurde nach und nach schwächer, je tiefer die Teilchen fielen. Zudem richteten sie sich zunehmend entlang ihrer Längsachse im Luftstrom aus, der durch den Luftwiderstand beim Fallen entsteht.

Auch wenn Effekte wie etwa Turbulenzen, die durch Wind entstehen, in diesem Experiment vermieden und nicht berücksichtigt wurden: Das Experiment hilft zu verstehen, wie Schneeflocken oder Staubpartikel fallen – oder wie sich Asche nach einem Vulkanausbruch bewegt und schließlich auf der Erde ablagert. Denn das Taumeln lässt Partikel langsamer fallen, sodass sie sich zusammenballen können.

Auch verändert es, wie die Teilchen das Sonnenlicht reflektieren: Es könnte also beeinflussen, wie viel Strahlung auf der Erdoberfläche ankommt. So hoffen Bagheri und sein Team, dass sich dank dieser Ergebnisse künftig Wetterphänomene und Effekte in der Atmosphäre besser vorhersagen lassen – etwa, wie lange Schadstoffe in der Atmosphäre verbleiben oder wie Niederschläge in Wolken entstehen.