Von der Neugier getrieben

Erstautorin Jana Lasser von der TU Graz: „Das ist ein tolles Beispiel für von Neugier getriebener Grundlagenforschung. Die Natur gibt uns ein offensichtliches und faszinierendes Rätsel auf, das unsere Neugier anregt und uns dadurch dazu auffordert, es zu lösen - auch ohne direkte weitere Anwendungsmöglichkeit im Hinterkopf.“

Um diesem Rätsel der Natur auf die Schliche zu kommen, haben Lasser und Co. die Forschungsgebiete der Fluiddynamik aus der Physik sowie der Geomorphologie aus den Geowissenschaften kombiniert und das Phänomen aus mehreren Richtungen untersucht: Sie haben in Laborexperimenten beobachtet, wie sich salzhaltiges Wasser in sandigen Böden bewegt, in numerischen Simulationen die Längenskala der Muster unter verschiedenen Bedingungen analysiert und in zwei Feldstudien in Kalifornien die Muster in der Natur beobachtet und Proben gesammelt um zu zeigen, dass die Strömungen im Untergrund mit den an der Oberfläche sichtbaren Mustern zusammenhängen. Als erste Forschungsgruppe haben sie in einem Video festgehalten, wie das Salzmuster wächst.

Wabenförmige Muster dank Konvektion

Die von den Forschenden in Experimenten, Simulationen und Feldstudien zusammengetragenen Hinweise deuten alle auf ein konsistentes Bild hin: Der treibende Mechanismus für die Musterbildung ist durch Konvektion ausgelöste Zirkulation von salzigem Wasser im Boden unter der Salzkruste. Die Salzwüsten, in denen diese Muster auftreten, sind nämlich keineswegs knochentrocken. Im Gegenteil: Das stark salzhaltige Grundwasser reicht oft bis direkt unter die Salzkruste. Wenn das Wasser dann in der heißen Sommersonne verdunstet, bleibt das Salz zurück. Dadurch wird das Grundwasser direkt unter der Oberfläche salzhaltiger und damit schwerer als das frischere, darunterliegende Wasser. Überschreitet dieser Unterschied im Salzgehalt eine gewisse Schwelle, fängt das salzigere Wasser nahe der Oberfläche an, nach unten zu sinken, während von unten frischeres Wasser aufsteigt. Ähnlich wie warmes und kaltes Wasser, das durch Konvektion in Heizkörpern zirkuliert, bilden sich im Untergrund Konvektionsrollen von salzigem und weniger salzigem Wasser.

Eine einzelne Konvektionsrolle würde sich dabei kreisförmig ausbilden, da diese Form das von der Konfektionsrolle umschlossene Volumen maximiert, während der Umfang minimiert wird. Durch die Anordnung mehrerer Konvektionsrollen nebeneinander im Boden werden sie allerdings „zusammengedrückt“ und ergeben sechseckige, wabenförmige Muster, an deren Rändern sehr salzhaltiges Wasser nach unten sinkt. An Stellen mit besonders hohem Salzgehalt kristallisiert auch an der Oberfläche vermehrt Salz aus. Die entstehende Kruste bildet mit der Zeit die erhöhten Buckel und Kanten aus, die das wabenförmige Salzmuster ergeben.

Neben der Befriedigung der Neugier hilft ein Verständnis der Topographie von Salzwüsten bei der Vorhersage darüber, wie viel mineralhaltiger Staub sich von den Oberflächen der Salzwüsten löst und in die Atmosphäre gewirbelt wird. Dieser Staub spielt wiederrum eine wichtige Rolle bei der Bildung von Wolken und beim Transport von Mineralien in die Ozeane.

HIER geht’s zur Publikation von Salt Polygons and Porous Media Convectio. Jana Lasser, Joanna M. Nield, Marcel Ernst, Volker Karius, Giles F.S. Wiggs, Matthew R. Threadgold, Cédric Beaume, and Lucas Goehring. Physical Review X, February 2022.