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Entmischung

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Eine Sandlawine mit dem Profil einer Katzenpfote

Der Sand der Düne besteht vor allem aus schwarzen und weißen Körnern, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften (Dichte, Größe u.Ä.) unterscheiden. Sobald der kritische Schüttwinkel der Dünenleeseite überschritten wird, setzt sich eine Lawine in Bewegung. An den Rändern kommt es aufgrund der physikalischen Unterschiede der Körner zu einer sichtbaren Entmischung: Die schwarzen Körner lösen sich leichter als die weißen und dominieren das Feld, sobald der Schüttwinkel das kritische Maß unterschreitet. Da die abgehende Lawine eine Neigung zu den unberührten seitlich angrenzenden Flächen aufbaut, laufen die Körner in einem nahezu symmetrisch geformten Gebilde auseinander. Es erinnert mich an eine Katzenpfote.
Die Symmetrie kommt dadurch zustande, dass die seitliche Begrenzungen des strömenden Sandes eine nahezu gleiche Wirkung auf den Strom ausüben. Die Entmischungsdynamik führt daher zu einer ähnlichen Struktur, in die der zur Ruhe kommende Sand schließlich erstarrt.
Naturschön ist die Sandpfote (nicht Samtpfote) allemal.

Sandlawinen am Dünenhang

Wenn Sanddünen einen kritischen Schüttwinkel erreichen, genügt nur wenig mehr an Sandzufuhr oder durch äußere Störungen, um kleinere oder größere Lawinen auszulösen, sodass der Schüttwinkel wieder ein unterkritisches Maß erreicht. Die Sandabfuhr in einer Lawine erfolgt nicht irgendwie, sondern kollektiv und (selbst)organisiert, was sich oft in ästhetisch ansprechenden naturschönen Mustern zeigt, wie auch in diesem Foto.
An den Sandstrukturen ist zu erkennen, dass die von oben gestarteten Hauptlawinen sich zum Ende hin verästeln und ein grobes dendritisches Muster bilden, bevor sie zum Stillstand kommen. An der unteren Grenze, durch die Sandbereiche leicht unterschiedlicher Färbung (oben eher hell, unten eher dunkel) getrennt werden, ist zu erkennen, dass vorher schon eine oder mehrere größere Lawinen abgegangen sein müssen.
Der Sand besteht aus dunklen und hellen Körnern, die sich in ihrer Dichte unterscheiden. Sie zeigen daher beim Abgang ein dementsprechendes unterschiedliches Verhalten. Die schwereren (dichteren) schwarzen Sandkörner rollen ein Stück weiter als die hellen und rahmen auf diese Weise die Strukturen mit einer dunklen Umrandung ein. Ohne dies wäre die Strukturierung kaum zu sehen gewesen.
Als ich die „eingefrorenen“ Lawinen entdeckte, zeichneten sie sich überdies durch eine erstaunliche Stabilität aus. Versuche, neue Lawinen auszulösen oder die alten wieder auf Trapp zu bringen misslangen. Der Grund war, dass die obere Sandschicht in der kühlen Nacht durch kondensierenden Wasserdampf feucht geworden war und die Sandkörnchen durch Kapillarkräfte miteinander „verklebt“ wurden, so wie man es von Sandburgenbau kennt.

Natürliche Skulpturen aus Sand

Durch den Wind erzeugte Strukturen im Sand der Dünen und kleine Sandlawinenabgänge erzeugte Strukturen führen oft zu naturschönen Ansichten.

Natürliche Sandmuster

Man kann sich gar nicht genug wundern, mit welcher „Kreativität“ das Zusammenspiel von Wind und Dünensand Skulpturen hervorbringt, die eine feste Form zu haben scheinen, einige Minuten später aber wieder ganz anders aussehen.

Sandrippelerneuerung

In der schon früher beschriebenen Dünenlandschaft gibt es immer wieder etwas Neues zu sehen. Der Sand besteht dort aus hellen und dunklen Körnern, wobei die dunkleren eine größere Dichte haben. Sie werden von Wind, Regen, Gravitation und in Küstennähe auch immer wieder vom anstürmenden Wasser gemischt und aber auch entmischt, wobei sich je nach den wechselnden Bedingungen stets neue Rippelmuster entwickeln. Wie Sandrippel entstehen, wurde in früheren Beiträgen beschrieben (z.B. hier).
Das aktuelle Foto zeigt, wie eine vorher vom Wind glattgeschliffene ältere Musterung (dunkle Streifen) von neuen barchanartigen Rippeln überdeckt wird.
Die Natur ließ mir nur wenig Zeit eine Augenblicksaufnahme dieser ästhetisch anmutenden Umstrukturierung zu machen und in dieser Form für die Nachwelt zu sichern 😉

Strukturen aus dem Untergrund

Was ist auf diesem Foto zu sehen? Hochzüngelnde Flammen in ungewöhnlichen Farben. Oder merkwürdige Pflanzen die dem Licht entgegen streben? Mit solchen Fragen könnte ich diesen Beitrag beenden und das Foto als eine Art naturschönes Kunstwerk stehenlassen. Oft tue ich das.
Aber eines meiner wesentlichen Anliegen ist es zu erklären. In diesem Fall geht es mir darum zu zeigen, was man in seiner Umgebung sehen kann, wenn man es nicht übersehen würde. Unsere Netzhäute werden nämlich wesentlich öfter von sehenswerten und ästhetische ansprechenden Dingen belichtet als man denkt. Sehen muss gelernt werden.
Die hier zu sehenden Gebilde sind Wasserströme, die langsam aus dem feuchten Sanduntergrund hochquellen und aufgrund unterschiedlicher Strömungsbedingungen (zentrale Strömung = meist schnell, Randströmung = meist langsam) den aus schwarzen und weißen Sandkörnern bestehenden Untergrund zu natürschönen Gebilden umgestalten. Diese Gebilde variieren in der Höhe nur um wenige Zentimeter, sind also weit von der Höhe entfernt, die uns (vielleicht nur mir?) das Foto vorgaukelt.
Die Aufnahme wurde an einem vielbesuchten Strand gemacht, der zur Landseite hin eine gewisse Steigung besitzt und erst kurz vorher die Gezeitenflut hinter sich gelassen hat. Vermutlich strömt nunmehr – vom Druck des auflastenden Wassers befreit – das Untergrundwasser nach oben. Für mich ist es jedenfalls ein naturschöner Anblick. Nicht weit von dieser Stelle entfernt beobachtete ich merkwürdige Minivulkane, die ebenfalls eine ästhetische und – wenn man so will – wissenschaftliche Seite haben..

Stillleben mit zwei Kieselsteinen oder Strukturbildung am Strand

So still wie es auf dem Foto erscheint war es nicht, als ich bei Sonnenuntergang diese ästhetisch ansprechende und physikalisch interessante Aufnahme machte. Denn die Steine liegen am leicht geneigten Meeresufer im Einflussbereich der ein- und auslaufenden Meereswellen.
Indem sie dem fließenden Wasser einen Widerstand entgegensetzen, beeinflussen sie die Strömung und führen zu einer interessanten Struktur. Das von oben zurückströmende Wasser wird um die Steine herum gezwungen und dabei beschleunigt. Es geht also etwas turbulenter zu, dass Sand mitgerissen wird und eine Vertiefung entsteht. Hinter den Steinen vereinigen sich die Strömungen und werden wieder langsamer. Dadurch sedimentiert der mitgerissenes Sand.
Weil der Sand an diesem Strand aus einer Mischung aus leichten hellen und schweren schwarzen Körnern besteht, setzen sich als erste die schwarzen Körner ab und hinterlassen eine entsprechend eingefärbte Spur, die durch lokale Verwirbelungen beeinflusst wird.

Auch optisch ist die Situation interessant. Das von rechts einfallende rötliche Licht der tiefstehenden Sonne gibt dem an sich weiß-schwarzen Sand einen leichten roten Teint. Ähnlich ergeht es der der Sonne zugewandten Seite des rechten Steins. Alles was im Schatten liegt nimmt jedoch eine leicht blaue Färbung an. Bei den schwarzen Steinen ist dies sehr deutlich. Auch der Schatten, den sie werfen ist leicht bläulich. In diesen vom Sonnenlicht nicht beleuchteten Bereichen wird allein das blaue Himmelslicht reflektiert. Der Kontrast macht den Unterschied sehr deutlich.

Pflanzliche Muster im Wüstensand

Eisblumen am Fenster oder auf der Pfütze scheinen pflanzliche Strukturen nachzuahmen. Denselben Eindruck kann man von bestimmten Mustern im Wüstensand gewinnen. So langweilig einzelne Sandkörner auch sein mögen, in großer Anzahl Wind und Wetter ausgesetzt bringen sie zuweilen wahre Kunstwerke hervor, insbesondere dann, wenn der Sand aus einer Mischung aus dunklen und hellen Sandkörnern besteht. So blieb ich vor einiger Zeit einigermaßen erstaunt und fasziniert vor der etwa 50 cm langen natürlichen Sandkomposition stehen, für die eine Pflanze Modell gestanden haben könnte (siehe Foto). Es kann sich hier gewiss nicht um das Ergebnis des blinden Zufalls handeln. Ebenso wenig kann man sich vorstellen, dass jemand ein Puzzle mit vielen Millionen Teilen gelegt hat, um der Wüste die Ahnung eines Blumenstraußes zu vermitteln.
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Volcanes diminutos en la playa

H. Joachim Schlichting. Investigación y Ciencia 6 (2019) Curiosidades de la física

Las mareas pueden provocar la formación de agujeros y pequeños montículos en la superficie de la playa. El fenómeno obedece al flujo del aire a través del sistema capilar que esconde la arena.
Cuando baja la marea y el agua se retira, la zona más alejada de la orilla queda repleta de agujeros y pequeñas protuberancias cónicas. El fenómeno se debe al flujo del aire por los capilares que forma la arena bajo la superficie.
En algunas playas, cuando caminamos sobre la zona del terreno que durante la bajamar se encuentra alejada del agua, a veces parecerá que estemos andando sobre algodones. Nuestros pies se hundirán profundamente en la arena y podremos comprobar que, al contrario de lo que suele ocurrir mucho más cerca de la orilla, allí no se ha creado una superficie firme.
Más aún, en esas partes blandas del terreno podremos ver con frecuencia un buen número de agujeros, así como verdaderas protuberancias, como si se tratase de pequeños volcanes. Y si tomamos del suelo un puñado de arena, con cuidado para no aplastarla, nos encontraremos con una especie de «espuma»: una estructura salpicada de cavidades de distintos tamaños. ¿A qué se debe este fenómeno?

Capilares subterráneos
Si observamos el fenómeno durante varios días, podremos comprobar que la responsable de esta filtración de aire a través de la arena es la marea. La arena consta de granos de forma irregular que solo se tocan en algunos puntos, por lo que dejan entre medias un sistema de capilares interconectados. Cuando el agua se filtra desde arriba, desplaza con su peso el aire contenido en esos capilares. Sin embargo, este no podrá escapar indefinidamente hacia abajo, ya que antes o después se encontrará con el nivel freático del agua subterránea, la cual ya habrá llenado los espacios vacíos inferiores. Así pues, cuando sube la marea, el agua empuja el aire y lo dirige hacia arriba (véase la ilustración).
Lo anterior hace que aumente la presión del gas, ya que los estrechos capilares oponen resistencia a la circulación. Se trata de un fenómeno parecido al que tiene lugar cuando intentamos expulsar el agua de una jeringuilla que contiene en su interior una burbuja de aire: el pistón comprimirá la burbuja de manera considerable. Expuestas a una presión semejante, las delgadas corrientes de aire que circulan bajo el suelo se unirán tan pronto como entren en contacto y, antes o después, prorrumpirán en la superficie.
Cuando eso ocurre, aparecen agujeros en algunos sitios del suelo y, en otros, pequeños abultamientos cónicos, los cuales se formarán siempre que la capa superior posea partes herméticas (y que, por tanto, impidan el paso del aire). Ambas estructuras dan lugar a la «espuma de arena» que mencionábamos al principio, y cuando baje la marea podremos verla con claridad. Si seccionamos cuidadosamente los conos con un cuchillo, nos convenceremos de que realmente existen cavidades bajo las protuberancias.
Cuando sube el nivel del mar, a veces es posible apreciar la manera en que el rítmico ir y venir de las olas inunda los agujeros y los deja libres de nuevo. Justo en el borde del agua, donde la profundidad es de tan solo unos pocos centímetros, pueden verse cómo salen burbujas de los agujeros anegados. La bajada de la marea vuelve a drenar el sistema capilar, ahora lleno, y las grandes cavidades. Ello reduce la presión y hace que se absorba aire; entretanto, a veces aparecen nuevos agujeros.

Geheimnisvolle Minivulkane am Strand

Der aus hellen und dunklen Körnern bestehende Sand des Strands von Maspalomas (Gran Canaria) wird durch die Einwirkungen von Wind und Wasser ständig gemischt und auch wieder entmischt. Eine Entmischung in  getrennte Schichten hellen und dunklen Sands  wird beispielsweise durch Winde bewirkt, die über einen längeren Zeitraum aus einer bestimmten Richtung wehen. Dabei spielen die unterschiedliche Dichte der Sandarten eine wesentliche Rolle.
Wenn sich die Windrichtung ändert oder der geschichtete Sand den Wirkungen von Ebbe und Flut ausgesetzt ist, entstehen wieder andere Muster, bei deren individueller Ausgestaltung zufällige Einflüsse von Bedeutung sind und unter dem menschlichen Blick zu Pareidolien führen.
Wenn man aber auf einfach geometrische Gebilde stößt, wie etwa die in dem Foto zu sehenden Kreis- und Ringgebilde, fällt es schwer darin rein zufällige Hervorbringungen zu sehen. In der Tat liegt ihnen ein komplexes Geschehen zugrunde. Wie bereits an anderer Stelle ausfühlicher beschrieben, handelt es sich um waagereche Schnitte durch kleine wenige Zentimeter hohe abgerundete Sandkegel, die von der letzten Flut zurückgeblieben sind. Der durch das auflaufende Wasser ansteigende Grundwasserspiegel hat dazu geführt, dass die in den Kapillarsystemen des trockenen Sands enthaltene Luft ausgetrieben und durch Wasser ersetzt wurde. Dabei ist eine Art unterirdisches Flussnetzwerk entstanden, allerdings in drei Dimensionen, in dem sich die winzigen Wasserströme vereinigen und schließlich zur Oberfläche vordringen. Durch die nach oben hin verdrängte Luft wird an bestimmten Stellen die oberste Sandschicht zu Sandkegeln aufgeblasen. Sie bleiben aufgrund ihrer gewölbeartigen Bauweise in den meisten Fällen auch dann erhalten, wenn der Druck nachlässt und das Wasser sich bei Ebbe wieder zurückzieht. Das trockengelegte Kapillarsystem wird dabei wieder weitgehend durch Luft gefüllt.
Sofern diese minivulkanartigen Kegelbauten, die oft an Hervorbringungen von kleinen Tieren erinnern, bis zur nächsten Flut überleben, werden sie durch das auf- und ablaufende Wasser abgetragen, sodass wie bei einem Kegelschnitt die Sandschichtung in Form von Ringen sichtbar wird (Foto). Man findet diese Ringsysteme vorwiegend am äußersten Wassersaum des Hochwassers.
Wenn das nächste Hochwasser nicht so weit reicht, bleiben oft ganze Felder derartiger Sandpusteln erhalten. Wie stark dieser Bereich mit Luft „aufgeblasen“ wurde, merkt man daran, dass es sich in diesen Gebieten anfühlt, wie auf Watte zu laufen. Man sinkt mit den Füßen relativ tief in den luftdurchwirkten Sand ein. Das vermittelt den Strandwanderern, denen nicht an ein schnelles Vorankommen gelegen ist, ein angenehmes Gefühl der Leichtigkeit und Luftigkeit unter den Füßen. Schnelleres Laufen wird allerdings anstrengend im krassen Unterschied zum ansonsten festen sandigen Untergrund in der Nähe des Wassers.

 

Fundstück 1 – Magnetischer Wüstensand

Die „Wüste“ von Maspalomas (Gran Canaria) zu durchqueren, kann eine ganz schön sandige Angelegenheit sein, insbesondere wenn ein Sandsturm dabei ist, die Dünen von den Spuren der Touristen zu säubern und nach seinem Gusto umzugestalten. Dabei entstehen immer wieder neue Muster aus schwarzem und hellem Sand, der ständig durchmischt und auch wieder zu ästhetisch ansprechenden Schwarzweißbildern entmischt wird (oberes Foto). Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Juni 2018

Wie ensteht diese Struktur am Sandstrand? Weiterlesen

Spirale 6 – Never ending stories III – Spiralen der Vergänglichkeit

Das Verhalten von Sand unter unregelmäßigen und regelmäßigen mechanischen Einwirkungen ist auf dieser Seite schon öfter angesprochen worden. Man denke etwa an den Wind in der Wüste oder in mechanische Schwingungen versetzte Sandkörner. Dabei standen vor allem physikalische Aspekte im Vordergrund. Die ästhetische Dimension war dabei jedoch nicht zu übersehen.
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Die Großen landen immer oben – Entmischen durch Mischen

Schlichting, H. Joachim; Nordmeier, Volkhard; Jungmann, Dietmar. In: Physik in der Schule 34/5, 191-193 (1996).

Müslimischungen u.ä. zeichnen sich vielfach dadurch aus, daß sie keine besonders guten Mischungen sind. Jedenfalls werden häufig die größeren Bestandteile, z.B. Haselnüsse, vermehrt in den oberen Schichten der Packung angetroffen, obwohl in der Fabrik für eine ordentliche Durchmischung gesorgt  wurde.
In manchen Stränden entdeckt man zuweilen auf relativ kleiner Fläche konzentrierte größere Ansammlungen von Kieselsteinen oder Muscheln, die oft  auch noch nach Größe „sortiert“ sind.

Ältere Bauern sind manchmal davon überzeugt, daß Steine wachsen. Sie berichten, daß ihr Acker seit Generationen alljährlich von Steinen befreit wird. Trotzdem sei nicht abzusehen, daß dadurch der Acker einmal steinfrei würde…

PDF: Die Großen landen immer oben – Phänomene der Selbstorganisation beim Schütteln von Kugeln

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